Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Genetic studies on the role of type IA DNA topoisomerases in DNA metabolism and genome maintenance in Escherichia coli

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes.

Évaluation de l’effet antidiabétique de plantes médicinales de la forêt boréale et identification des principes actifs de deux espèces prometteuses

Le diabète de type 2 est une maladie chronique dont l’incidence est en augmentation continuelle. Le risque de développer le diabète de type 2 chez les populations autochtones du Canada est de trois à cinq fois plus élevé que le reste de la population canadienne. La forêt boréale comporte plusieurs plantes médicinales ayant un potentiel pour le traitement ou la prévention du diabète. Certaines de ces plantes font partie de la médecine traditionnelle et alternative Crie. Des enquêtes ethnobotaniques ont amené notre équipe de recherche à identifier 17 extraits de plantes médicinales utilisées par les Cris d’Eeyou Istchee (Baie James, Québec) pour traiter les symptômes du diabète. Parmi ces extraits, certains ont montré des activités anti-diabétiques au niveau des cellules musculaires, des adipocytes et dans des études in vivo réalisées chez des animaux. Le but de cette thèse est d’élucider l’effet de ces 17 plantes sur l’homéostasie hépatique de glucose, d’identifier l’espèce la plus prometteuse et isoler ces constituants actifs. De même, le bleuet nain du genre Vaccinium angustifolium fait partie de la forêt boréale canadienne et est connu pour ses activités anti-diabétiques. Une biotransformation du jus de bleuet lui confère une activité antioxydante accrue et un profil biologique différent. Le deuxième but de cette thèse est d’élucider les mécanismes d’action par lesquels le jus de bleuet biotransformé (BJ) exerce son effet anti-diabétique et d’identifier ses principes actifs. Les résultats ont montré que trois extraits de plantes Cris se sont démarqués par leur effet sur l’homéostasie hépatique de glucose. Picea glauca exerce son effet en diminuant la production de glucose alors que Larix laricina agit en augmentant le stockage de glucose. Abies balsamea a montré le profil le plus prometteur, elle agit simultanément en diminuant l’activité de la Glucose-6-phosphatase (G6Pase) via la stimulation des voies insulino-dépendante et - indépendante et en augmentant l’activité de la Glycogène synthétase (GS) suite à la phosphorylation de la Glycogène synthase kinase-3. Le fractionnement de l’extrait d’Abies balsamea guidé par les deux bioessais a mené à l’isolation de trois composés actifs; l’acide abiétique (AA), l’acide déhydroabiétique (DAA) et le squalène (SQ). Les principes actifs ont montré le même mécanisme d’action que l’extrait brut en diminuant l’activité de la G6Pase et augmentant celle de la GS ainsi qu’en activant les voies de signalisation impliquées. Le DAA ii s’est démarqué par son effet le plus puissant et très comparable à celui de l’extrait d’Abies balsamea dans toutes les expériences. De son côté le BJ a montré un effet sur la diminution de la production hépatique de glucose, l’augmentation de son stockage ainsi que l’augmentation de son transport dans le muscle. Son fractionnement guidé par les bioessais a permis d’isoler sept fractions dont trois étaient les plus actives. L’identification des constituants de ces fractions actives a mené à isoler quatres composés phénoliques; l’acide chlorogénique, l’acide gallique, l’acide protocatéchique et le catéchol. Le catéchol s’est démarqué avec ses effets les plus puissants en diminuant l’activité de la G6Pase, augmentant celle de la GS et en stimulant le transport de glucose dans le muscle. Les résultats de cette thèse indiquent que la diminution de la production hépatique de glucose peut s’ajouter au profil anti-diabétique de certaines plantes médicinales Cries et surtout à celui d’A.balsamea dont les composés actifs peuvent aider dans le développement de nouvelles molécules anti-diabétiques. De plus, les résultats de cette thèse ont montré que l’activité antidiabétique du BJ implique le contrôle de l’homéostasie de glucose au niveau du foie et du muscle. L’identification du catéchol comme principe actif avec potentiel anti-diabétique prometteur pourra servir pour des fins thérapeutiques ultérieures.

Développement d’outils analytiques pour la détection de biomolécules directement dans des fluides sanguins

Cette thèse porte sur le développement de biocapteurs basés sur la technique de résonance des plasmons de surface (SPR) pour effectuer des analyses directement dans un fluide sanguin n’ayant subi aucune purification ou dilution. L’ensemble des biocapteurs discutés exploiteront un instrument SPR portable développé dans le groupe du professeur Masson. Le premier volet de la thèse portera sur le processus d’interférence lié à l’adsorption non spécifique du sérum à la surface du capteur. L’analyse des biomolécules adsorbées sera effectuée en combinant la SPR à la spectrométrie de masse. Les informations obtenues seront exploitées pour la construction de biocapteurs adaptés à l’analyse en milieu sanguin. Un premier biocapteur développé ciblera la protéine antigène prostatique spécifique (APS) contenue dans le sérum servant de biomarqueur pour dépister le cancer de la prostate. Pour détecter les faibles concentrations de cette protéine directement dans le sérum, un matériel plasmonique microstructuré sera utilisé pour amplifier les signaux obtenus et sera recouvert d’une monocouche peptidique minimisant l’adsorption non spécifique du sérum. L’instrument SPR aura été adapté pour permettre également la détection simultanée de fluorescence. Un test ELISA sera ainsi effectué en parallèle du test SPR. Chacune des techniques fournira un contrôle pour la deuxième, tout en permettant de détecter le biomarqueur au niveau requis pour dépister la maladie. La combinaison des deux méthodes permettra aussi d’élargir la gamme dynamique du test de dépistage. Pour terminer, l’instrument SPR portable sera utilisé dans le cadre de détection de petites biomolécules ayant un potentiel thérapeutique directement dans un échantillon de sang. Des peptides ayant une activité anti-athérosclérotique pourront ainsi être détectés à même un échantillon de sang ni purifié ni dilué, et ce à des concentrations de l’ordre du micromolaire. Une modification de la microfluidique via l’introduction d’une membrane poreuse au cœur de celle-ci sera la clé permettant d’effectuer de telles analyses. La présente thèse met de l’avant de nouvelles stratégies et des modifications instrumentales permettant d’analyser des protéines et des petites molécules directement dans un échantillon non purifié de sérum ou de sang. Les modifications apportées au système fluidique, à l’instrument SPR et au niveau du biocapteur employé permettront d’effectuer des biodétections dans des matrices aussi complexes que les fluides sanguins. Les présents travaux mettent en lumière la capacité d’un instrument SPR/fluorescence portable à faire en 12 minutes la biodétection d’un marqueur du cancer de la prostate directement dans un échantillon de sérum. Finalement, on rapporte ici un des premiers articles où un biocapteur SPR est utilisé à même un échantillon de sang non-purifié pour faire des biodétections.

Production and Characterization of Lignin Peroxidases from Mangrove Ascomycetes

In this thesis, the production and characterization of ligninolytic enzymes using the fungi isolated from mangrove area are studied. The objective of the present work are isolation and screening of dye decolorizing micro-organisms from mangrove area, screening of the selected microorganisms for the production of lignin degrading enzymes, identification of the potent micro-organisms, characterization of the crude enzyme, lignin peroxidase, of the selected fungi—Aspergillus sp. SIP 11 and Penicillium sp. SIP 10 etc. This included the determination of the optimum pH, temperature, veratryl alcohol and H2O2 concentration. Besides the stability of crude LiP at different pHs and temperatures were studied. The immense applications, particularly in bioremediation, to which the lignin degrading micro-organisms could be used make this study important, the ascomycetes and deuteromycetes fungi, especially form the marine environment were studied with respect to their ligninolytic enzyme system making this study an initial step in unraveling the vast hidden potential of these microbes in bioremediation, the marine microbes are halophilic in nature which make them better suited to cope with the high salinity of industrial effluents thereby giving them added advantage in the filed of bioremediation. The thesis deals with the isolation and screening of lignin degrading enzyme-producing microbes from mangrove area. The identification of the most potent fungal isolates and characterization of LiP from these are also done.

Increased 5-HT2C Receptor Binding in the Brain Stem And Cerebral Cortex During Liver Regeneration And Hepatic Neoplasia In Rats

In the present study, serotonin 2C (5-HT2c) receptor binding parameters in the brainstem and cerebral cortex were investigated during liver generation after partial hepatectomy (PH) and N-nitrosodiethylamine (NDEA) induced hepatic neoplasia in male Wistar rats. The serotonin content increased significantly (p<0.01) in the cerebral cortex after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. Brain stem serotonin content increased significantly (p<0.05) after PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of the 5-HT2c receptors in the crude synaptic membrane preparations of the brain stem showed a significant (p<0.001) increase after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of 5-HT2c receptors increased significantly (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia in the crude synaptic membrane preparations of the cerebral cortex. There was a significant (p<0.01) increase in plasma norepinephrine in PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia, indicating sympathetic stimulation. Thus, our results suggest that during active hepatocyte proliferation 5-HT2c receptor in the brain stem and cerebral cortex are up-regulated which in turn induce hepatocyte proliferation mediated through sympathetic stimulation.

Kinetic Studies of Purified malate Dehydrogenase in Liver of Streptozotocindiabetic Rats and the Effect of Leaf Extract of Aegle Marmelose (L.) Correa ex Roxb

The functional basis of diabetes-mellitus to a certain extent, can be elucidated by studying diabetes-induced changes in metabolic enzymes. Malate dehydrogenase (MDH), is an enzyme directly involved in glucose metabolism. The kinetic parameters of MDH and its purified cytosolic isozyme, S-MDH, have been studied in the liver of streptozotocin- diabetic rats; also the potential of the leaf extract of A. marmelose as an was investigated. The Km of the liver enzyme increased significantly, in both crude and purified preparations in the diabetic state when compared to Lhe respective controls. Insulin as well as leaf- •extract treatment of the diabetic rats brought about a reversal of K. values to near normal. Vmax of purified S-MDH was significantly higher in the diabetic state when compared to the control. Insulin and leaf extract treatment did not reverse this change. Since MDH is an important enzyme in glucose metabolism, the variation in its quantitative and qualitative nature may contribute to the pathological status of diabetes. The fact that leaf extract of A. marmelose was found to be as effective as insulin in restoration of blood glucose and body weight to normal levels, the use of A. marmelose as potential hypoglycemic agent is suggested.

Alterations in brainstem a2 adrenoreceptor activity in pyridoxine-deficient rat model of hypertension

Moderate pyridoxine deficiency in adult male Sprague-Dawley rats results in significant hypertension, associated with a general sympathetic stimulation , including an increase in the turnover of norepinephrine in the heart. Treatment of these rats with pyridoxine reversed blood pressure to normal within 24 h. Treatment of pyridoxine-deficient rats with clonidine or x-methyl dihydroxyphenylalanine (x-methyl DOPA) also reduced the blood pressure of these animals to normal . There was also a significant increase in the Bma, of high and low affinity [3H]p-amino-clonidine binding to crude synaptosomal membrane preparations of the brain stem of deficient rats indicating chronic underexposure of)(, adrenoreceptors to endogenous norepinephrin.

Marine Yeasts from the Slope Sediments of Arabian Sea and Bay of Bengal

The present study provides an account of the occurrence and diversity of marine yeasts in the slope sediments of Arabian Sea and Bay of Bengal. It also gives a clear idea about the role of yeasts in the benthic realm of marine ecosystem. The lipolytic potential of the organisms indicate the presence of rich lipid moieties in the study area. The isolates, Candida sp. SD 302 and Pichia guilliermondii SD 337 were proved to have potential oil degrading property and can be employed as bioremediators of oil spill after further characterization. The black yeasts isolated during the study area were found to have high commercial value by virtue of the by-products obtained from them. The melanin and the melanin degrading enzyme extracted from these organisms are potential bioactive materials for application in cosmetology.

Investigations on the Effects of Petroleum Hydrocarbons on the Marine Bivalves Perna viridis (Linnaeus) and Sunetta scripta (Linne')

The thesis deals with different aspects connected with the distribution and toxicity of PHC in crude oils in the aquatic environment and marine molluscs. Information has been gathered and presented on the present status of research in the field based on a thorough review of recent literature. It is seen from the literature that the resident time of PHC becomes lesser and lesser when crude oil is discharged in large quantities into the coastal waters where excess oxygenation light penetration, temperature availability and strong tidal currents persist. This results in the reduction of the onslaught of oil pollution. This probably shows that taxic insult of crude oil in tropical shores will be relatively lesser than that occurring in temperate and boreal waters. However, there is no record of major episodal oil pollution comparable in quantum and extent to that of Torrey Canyon or Amoco Cadiz which prevents a more reliable analysis on the issue. Considerable controversy exists on the method of estimation of PHC in seawater. However, Ultra-violet fluorescence spectroscopy has been widely recommended as an analytical tool for the determination of total hydrocarbons. Similarly representation of values as chrysene equivalents has been recognised as the most reliable method of Quantum representation.

Process Optimization for Mass Production of Marine Yeast Candida sp. S 27 and its Nutritional Characterization

The main source of protein for human and animal consumption is from the agricultural sector, where the production is vulnerable to diseases, fluctuations in climatic conditions and deteriorating hydrological conditions due to water pollution. Therefore Single Cell Protein (SCP) production has evolved as an excellent alternative. Among all sources of microbial protein, yeast has attained global acceptability and has been preferred for SCP production. The screening and evaluation of nutritional and other culture variables of microorganisms are very important in the development of a bioprocess for SCP production. The application of statistical experimental design in bioprocess development can result in improved product yields, reduced process variability, closer confirmation of the output response to target requirements and reduced development time and overall cost.The present work was undertaken to develop a bioprocess technology for the mass production of a marine yeast, Candida sp.S27. Yeasts isolated from the offshore waters of the South west coast of India and maintained in the Microbiology Laboratory were subjected to various tests for the selection of a potent strain for biomass production. The selected marine yeast was identified based on ITS sequencing. Biochemical/nutritional characterization of Candida sp.S27 was carried out. Using Response Surface Methodology (RSM) the process parameters (pH, temperature and salinity) were optimized. For mass production of yeast biomass, a chemically defined medium (Barnett and Ingram, 1955) and a crude medium (Molasses-Yeast extract) were optimized using RSM. Scale up of biomass production was done in a Bench top Fermenter using these two optimized media. Comparative efficacy of the defined and crude media were estimated besides nutritional evaluation of the biomass developed using these two optimized media.

Production of Alkaline Protease by Free and Immobilised Cells of VIBRIO sp. Under Different Fermentation Systems and Its Application on Deproteinisation of Prawn Shell Waste for Chitin Recovery

This thesis presents a detailed account of a cost - effective approach towards enhanced production of alkaline protease at profitable levels using different fermentation designs employing cheap agro-industrial residues. It involves the optimisation of process parameters for the production of a thermostable alkaline protease by Vibrio sp. V26 under solid state, submerged and biphasic fermentations, production of the enzyme using cell immobilisation technology and the application of the crude enzyme on the deproteinisation of crustacean waste.The present investigation suggests an economic move towards Improved production of alkaline protease at gainful altitudes employing different fermentation designs utilising inexpensive agro-industrial residues. Moreover, the use of agro-industrial and other solid waste substrates for fermentation helps to provide a substitute in conserving the already dwindling global energy resources. Another alternative for accomplishing economically feasible production is by the use of immobilisation technique. This method avoids the wasteful expense of continually growing microorganisms. The high protease producing potential of the organism under study ascertains their exploitation in the utilisation and management of wastes. However, strain improvement studies for the production of high yielding variants using mutagens or by gene transfer are required before recommending them to Industries.Industries, all over the world, have made several attempts to exploit the microbial diversity of this planet. For sustainable development, it is essential to discover, develop and defend this natural prosperity. The Industrial development of any country is critically dependent on the intellectual and financial investment in this area. The need of the hour is to harness the beneficial uses of microbes for maximum utilisation of natural resources and technological yields. Owing to the multitude of applications in a variety of industrial sectors, there has always been an increasing demand for novel producers and resources of alkaline proteases as well as for innovative methods of production at a commercial altitude. This investigation forms a humble endeavour towards this perspective and bequeaths hope and inspiration for inventions to follow.

Studies on new processing aids and other compounding ingredients in special purpose rubbers

In the first part of the study we probed the effectiveness of rice bran oil as a multipurpose compounding ingredient for nitrile (NBR) and chloroprene (CR) rubbers. This oil has already been successfully employed in the compounding of NR and SBR in this laboratory.In this context we thought it worthwhile to try this oil in the polar rubbers viz, NBR and CR also. The principle of like dissolves like as applicable to solvents is equally applicable while selecting a plasticiser, elastomer combination. Because of the compatibility considerations polar plasticisers are preferred for polar rubbers like NBR and CR. Although plasticisation is a physical phenomenon and no chemical reaction is involved, the chemical structure of plasticisers determines how much physical attraction there is between the rubber and the plasticiser. In this context it is interesting to note that the various fatty acids present in rice bran oil have a long paraffinic chain, characteristic of waxes, with an acid group at the end of the molecule. The paraffinic end of the molecule contributes lubricating effects and limits compatibility whereas the acid end group contributes some polarity and is also chemically reactive. Because of absorption of acid group on the surface of pigments, these acids will have active pigment wetting characteristics also. These factors justifies the role of rice bran oil as a co-activator and lubricating agent for NBR and CR. In fact in our study we successfully replaced stearic acid as co-activator and aromatic oillDOP as processing aid for CR and NBR with rice bran oil.This part of the study has got special significance in the fact that rubber industry now heavily depends on petroleum industry for process oils. The conventional process oils like aromatic, naphthenic and paraffinic oils are increasingly becoming costlier, as its resources in nature are fast depleting. Moreover aromatic process oils are reported to be carcinogenic because of the presence of higher levels of polycyclic aromatic compounds in these oils.As a result of these factors, a great amount research is going on world over for newer processing aids which are cost effective, nontoxic and performanance wise at par with the conventional ones used in the rubber industry. Trials with vegetable oils in this direction is worth trying.Antioxidants are usually added to the rubber compound to minimise ageing effects from heat, light, oxygen etc. As rice bran oil contains significant amount of tocopherols and oryzanol which are natural antioxidants, we replaced a phenolic antioxidant like styrenated phenol (SP) from the compound recipe of both the rubbers with RBO and ascertained whether this oil could function in the role of antioxidant as well.Preparation and use of epoxidised rice bran oil as plasticiser has already been reported.The crude rice bran oil having an iodine value of 92 was epoxidised in this laboratory using peracetic acid in presence of sulphuric acid as catalyst. The epoxy content of the epoxidised oil was determined volumetrically by treating a known weight of the oil with excess HCI and back titrating the residual HCI with standard alkali solution. The epoxidised oil having an epoxy content of 3.4% was tried in the compounding of NBR and CR as processing aids. And results of these investigations are also included in this chapter. In the second part of the study we tried how RBO/ERBO could perform when used as a processing aid in place of aromatic oil in the compounding of black filled NRCR blends. Elastomers cannot have all the properties required for a particular applications, so it is common practice in rubber industry to blend two elastomers to have desired property for the resulting blend.In this RBO/ERBO was tried as a processing aid for plasticisation, dispersion of fillers, and vulcanisation of black filled NR-CR blends.Aromatic oil was used as a control. The results of our study indicate that these oils could function as a processing aid and when added together with carbon black function as a cure accelerator also.PVC is compatible with nitrile rubber in all proportions, provided NBR has an acrylonitrile content of 25 to 40%. Lower or higher ACN content in NBR makes it incompatible with PVC.PVC is usually blended with NBR at high temperatures. In order to reduce torque during mixing, additional amounts of plasticisers like DOP are added. The plasticiser should be compatible both with PVC and NBR so as to get a homogeneous blend. Epoxidised soyaben oil is reported to have been used in the compounding of PVC as it can perfonn both as an efficient plasticiser and heat stabilizer.At present DOP constitute the largest consumed plasticiser in the PVC compounding. The migration of this plasticiser from food packaging materials made of PVC poses great health hazards as this is harmful to human body. In such a scenario we also thought it worthwhile to see whether DOP could be replaced by rice bran oil in the compounding of NBR-PVC blends Different blends of NBR-PVC were prepared with RBO and were vulcanized using sulphur and conventional accelerators. The various physical and mechanical properties of the vulcanisates were evaluated and compared with those prepared with DOP as the control plasticiser. Epoxidised rice bran oil was also tried as plasticiser for the preparation of NBR-PVC blends. A comparison of the processability and cure characteristics of the different blends prepared with DOP and ERBO showed that ERBO based blends have better processability and lower cure time values. However the elastographic maximum torque values are higher for the DOP based blends. Almost all of the physical properties evaluated are found to be slightly better for the DOP based blends over the ERBO based ones. However a notable feature of the ERBO based blends is the better percentage retention of elongation at break values after ageing over the DOP based blends. The results of these studies using rice bran oil and its epoxidised variety indicated that they could be used as efficient plasticisers in place of DOP and justifies their role as novel, nontoxic, and cheap plasticisers for NBR-PVC blends.

Novel applications of cashew nut shell liquid in the polymer field

This research project aims at developing new applications for CNSL in the polymer field. Cashew nut shell liquid (CNSL) is a cheap agro-byproduct and renewable resource which consists mainly of substituted phenols. By using CNSL in place of phenol, phenol derived from petrochemicals can be conserved and a cheap agro-byproduct utilized.In this study CNSL based resin is prepared by condensing a mixture of phenol and CNSL with hexamethylenetetramine and the effect of P: F ratio and CNSL: P ratio on the properties of synthesized resin is studied. The adhesive properties of CNSL based resin in combination with neoprene rubber are investigated. The effect of varying the stoichiometric ratios between total phenol and formaldehyde and CNSL and phenol of the resin, resin content, choice and extent of fillers and adhesion promoters in the adhesive formulation are studied. The effect of resin on the ageing properties of various elastomers is also studied by following changes in tensile strength, elongation at break, modulus, tear strength, swelling index and acetone soluble matter. Crude CNSL and resins with different P: F ratios and CNSL: P ratios are incorporated into elastomers. Lastly, utility of CNSL based resin as binder for making particleboard is investigated.The results show that CNSL based resin is an effective ingredient in adhesives for bonding aluminium to aluminium. The resin used for adhesive fonnulation gives the best performance at 45 to 55 phr resin and a total phenol: formaldehyde of l:2.9. The resin when added at a rate of l5 phr improves ageing characteristics of elastomers with respect to mechanical properties. The reaction mixture of CNSL and hexa and the resin resulting from the condensation of CN SL, phenol and hexa can be used as effective binders for moulding particleboard.

Development of Free Space Method for Material Characterisation and GPR Study & A Case Study on Biological Samples

The thesis mainly focuses on material characterization in different environments: freely available samples taken in planar fonn, biological samples available in small quantities and buried objects.Free space method, finds many applications in the fields of industry, medicine and communication. As it is a non-contact method, it can be employed for monitoring the electrical properties of materials moving through a conveyor belt in real time. Also, measurement on such systems at high temperature is possible. NID theory can be applied to the characterization of thin films. Dielectric properties of thin films deposited on any dielectric substrate can be determined. ln chemical industry, the stages of a chemical reaction can be monitored online. Online monitoring will be more efficient as it saves time and avoids risk of sample collection.Dielectric contrast is one of the main factors, which decides the detectability of a system. lt could be noted that the two dielectric objects of same dielectric constant 3.2 (s, of plastic mine) placed in a medium of dielectric constant 2.56 (er of sand) could even be detected employing the time domain analysis of the reflected signal. This type of detection finds strategic importance as it provides solution to the problem of clearance of non-metallic mines. The demining of these mines using the conventional techniques had been proved futile. The studies on the detection of voids and leakage in pipes find many applications.The determined electrical properties of tissues can be used for numerical modeling of cells, microwave imaging, SAR test etc. All these techniques need the accurate determination of dielectric constant. ln the modem world, the use of cellular and other wireless communication systems is booming up. At the same time people are concemed about the hazardous effects of microwaves on living cells. The effect is usually studied on human phantom models. The construction of the models requires the knowledge of the dielectric parameters of the various body tissues. lt is in this context that the present study gains significance. The case study on biological samples shows that the properties of normal and infected body tissues are different. Even though the change in the dielectric properties of infected samples from that of normal one may not be a clear evidence of an ailment, it is an indication of some disorder.ln medical field, the free space method may be adapted for imaging the biological samples. This method can also be used in wireless technology. Evaluation of electrical properties and attenuation of obstacles in the path of RF waves can be done using free waves. An intelligent system for controlling the power output or frequency depending on the feed back values of the attenuation may be developed.The simulation employed in GPR can be extended for the exploration of the effects due to the factors such as the different proportion of water content in the soil, the level and roughness of the soil etc on the reflected signal. This may find applications in geological explorations. ln the detection of mines, a state-of-the art technique for scanning and imaging an active mine field can be developed using GPR. The probing antenna can be attached to a robotic arm capable of three degrees of rotation and the whole detecting system can be housed in a military vehicle. In industry, a system based on the GPR principle can be developed for monitoring liquid or gas through a pipe, as pipe with and without the sample gives different reflection responses. lt may also be implemented for the online monitoring of different stages of extraction and purification of crude petroleum in a plant.Since biological samples show fluctuation in the dielectric nature with time and other physiological conditions, more investigation in this direction should be done. The infected cells at various stages of advancement and the normal cells should be analysed. The results from these comparative studies can be utilized for the detection of the onset of such diseases. Studying the properties of infected tissues at different stages, the threshold of detectability of infected cells can be determined.