Host-pathogen interactions of secreted and surface Staphylococcus aureus factors

Staphylococcus aureus is an opportunistic bacterial pathogen that can infect humans and other species. It utilizes an arsenal of virulence factors to cause disease, including secreted and cell wall anchored factors. Secreted toxins attack host cells, and pore-forming toxins destroy target cells by causing cell lysis. S. aureus uses cell-surface adhesins to attach to host molecules thereby facilitating host colonization. The Microbial Surface Components Recognizing Adhesive Matrix Molecules (MSCRAMMs) are a family of cell-wall anchored proteins that target molecules like fibronectin and fibrinogen. The Serine-aspartate repeat (Sdr) proteins are a subset of staphylococcal MSCRAMMs that share similar domain organization. Interestingly, the amino-terminus, is composed of three immunoglobulin-folded subdomains (N1, N2, and N3) that contain ligand-binding activity. Clumping factors A and B (ClfA and ClfB) and SdrG are Sdr proteins that bind to fibrinogen (Fg), a large, plasma glycoprotein that is activated during the clotting cascade to form fibrin. In addition to recognizing fibrinogen, ClfA and ClfB can bind to other host ligands. Analysis of S. aureus strains that cause osteomyelitis led to the discovery of the bone-sialoprotein-binding protein (Bbp), an Sdr protein. Because several MSCRAMMs target more than one molecule, I hypothesized that Bbp may recognize other host proteins. A ligand screen revealed that the recombinant construct BbpN2N3 specifically recognizes human Fg. Surface plasmon resonance was used to determine the affinity of BbpN2N3 for Fg, and a dissociation constant of 540 nM was determined. Binding experiments performed with recombinant Fg chains were used to map the binding of BbpN2N3 to the Fg Aalpha chain. Additionally, Bbp expressed on the surface of Lactococcus lactis and S. aureus Newman bald mediated attachment of these bacteria to Fg Aalpha. To further characterize the interaction between the two proteins, isothermal titration calorimetry and inhibition assays were conducted with synthetic Fg Aalpha peptides. To determine the physiological implications of Bbp binding to Fg, the effect of Bbp on fibrinogen clotting was studied. Results show that Bbp binding to Fg inhibits the formation of fibrin. The consequences of this interaction are currently under investigation. Together, these data demonstrate that human Fg is a novel ligand for Bbp. This study indicates that the MSCRAMM Bbp may aid in staphylococcal attachment by targeting both an extracellular matrix and a blood plasma protein. The implications of these novel findings are discussed.

Self-organized colloidal quantum dots and metal nanoparticles for plasmon-enhanced intermediate-band solar cells

A colloidal deposition technique is presented to construct long-range ordered hybrid arrays of self-assembled quantum dots and metal nanoparticles. Quantum dots are promising for novel opto-electronic devices but, in most cases, their optical transitions of interest lack sufficient light absorption to provide a significant impact in their implementation. A potential solution is to couple the dots with localized plasmons in metal nanoparticles. The extreme confinement of light in the near-field produced by the nanoparticles can potentially boost the absorption in the quantum dots by up to two orders of magnitude. In this work, light extinction measurements are employed to probe the plasmon resonance of spherical gold nanoparticles in lead sulfide colloidal quantum dots and amorphous silicon thin-films. Mie theory computations are used to analyze the experimental results and determine the absorption enhancement that can be generated by the highly intense near-field produced in the vicinity of the gold nanoparticles at their surface plasmon resonance. The results presented here are of interest for the development of plasmon-enhanced colloidal nanostructured photovoltaic materials, such as colloidal quantum dot intermediate-band solar cells.

Thermally tunable polarization by nanoparticle plasmonic resonance in photonic crystal fibers

A photonic crystal fiber selectively filled with silver nanoparticles dispersed in polydimethylsiloxane has been numerically studied via finite elements analysis. These nanoparticles possess a localized surface plasmon resonance in the visible region which depends on the refractive index of the surrounding medium. The refractive index of polydimethylsiloxane can be thermally tuned leading to the design of polarization tunable filters. Filters found with this setup show anisotropic attenuation of the x-polarization fundamental mode around ?x = 1200dB/cm remarkably higher than the y-polarization mode. Moreover, high fiber birefringence and birefringence reversal is observed in the spectral region of the plasmon.

Determination of the lifetime and force dependence of interactions of single bonds between surface-attached CD2 and CD48 adhesion molecules

We studied single molecular interactions between surface-attached rat CD2, a T-lymphocyte adhesion receptor, and CD48, a CD2 ligand found on antigen-presenting cells. Spherical particles were coated with decreasing densities of CD48–CD4 chimeric molecules then driven along CD2-derivatized glass surfaces under a low hydrodynamic shear rate. Particles exhibited multiple arrests of varying duration. By analyzing the dependence of arrest frequency and duration on the surface density of CD48 sites, it was concluded that (i) arrests were generated by single molecular bonds and (ii) the initial bond dissociation rate was about 7.8 s−1. The force exerted on bonds was increased from about 11 to 22 pN; the detachment rate exhibited a twofold increase. These results agree with and extend studies on the CD2–CD48 interaction by surface plasmon resonance technology, which yielded an affinity constant of ≈104 M−1 and a dissociation rate of ≥6 s−1. It is concluded that the flow chamber technology can be an useful complement to atomic force microscopy for studying interactions between isolated biomolecules, with a resolution of about 20 ms and sensitivity of a few piconewtons. Further, this technology might be extended to actual cells.

Analysis of the interaction of ZAP-70 and syk protein-tyrosine kinases with the T-cell antigen receptor by plasmon resonance.

Tyrosine phosphorylation of a 17-amino acid immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM), conserved in each of the signaling subunits of the T-cell antigen receptor (TCR), mediates the recruitment of ZAP-70 and syk protein-tyrosine kinases (PTKs) to the activated receptor. The interaction between the two tandemly arranged Src-homology 2 (SH2) domains of this family of PTKs and each of the phosphotyrosine-containing ITAMs was examined by real-time measurements of kinetic parameters. The association rate and equilibrium binding constants for the ZAP-70 and syk SH2 domains were determined for the CD3 epsilon ITAM. Both PTKs bound with ka and Kd values of 5 x 10(6) M-1.sec-1 and approximately 25 nM, respectively. Bindings to the other TCR ITAMs (zeta 1, zeta 2, gamma, and delta ITAMs) were comparable, although the zeta 3 ITAM bound approximately 2.5-fold less well. Studies of the affinity of a single functional SH2 domain of ZAP-70 provided evidence for the cooperative nature of binding of the dual SH2 domains. Mutation of either single SH2 domain decreased the Kd by > 100-fold. Finally, the critical features of the ITAM for syk binding were found to be similar to those required for ZAP-70 binding. These data provide insight into the mechanism by which the multisubunit TCR interacts with downstream effector molecules.

Generation of infrared surface plasmon resonances with high refractive index sensitivity utilizing tilted fiber Bragg gratings

We demonstrate the use of tilted fiber gratings to assist the generation of localized infrared surface plasmons with short propagation lengths and a sensitivity of d lambda/dn = 3365 nm in the aqueous index regime. It was also found that the resonances could be spectrally tuned over 1000 nm at the same spatial region with high coupling efficiency (in excess of 25 dB) by altering the polarization of the light illuminating the device.

Aptamer-based surface plasmon sensor for thrombin detection

A series of surface plasmonic fibre devices were fabricated using multiple coatings deposited on a lapped section of a single mode fibre and post-fabrication UV laser irradiation processing with a phase mask, producing a surface relief grating structure. These devices showed high spectral sensitivity in the aqueous index regime ranging up to 4000 nm/RIU for wavelength and 800 dB/RIU for intensity. The devices were then coated with human thrombin binding aptamer. Several concentrations of thrombin in buffer solution were made, ranging from 1nM to 1µM. All the concentrations were detectable by the devices demonstrating that sub-nM concentrations may be monitored.

Generation of infrared surface plasmon resonances with high refractive index sensitivity utilizing tilted fiber Bragg gratings

We demonstrate the use of tilted fiber gratings to assist the generation of localized infrared surface Plasmons with short propagation lengths and a sensitivity of dλ/dn = 3365 nm in the aqueous index regime. It was also found that the resonances could be spectrally tuned over 1000 nm at the same spatial region with high coupling efficiency (in excess of 25 dB) by altering the polarization of the light illuminating the device. © 2007 Optical Society of America.

Photonic gas sensors exploiting directly the optical properties of hybrid carbon nanotube localized surface plasmon structures

We investigate the modification of the optical properties of carbon nanotubes (CNTs) resulting from a chemical reaction triggered by the presence of a specific compound (gaseous carbon dioxide (CO2)) and show this mechanism has important consequences for chemical sensing. CNTs have attracted significant research interest because they can be functionalized for a particular chemical, yielding a specific physical response which suggests many potential applications in the fields of nanotechnology and sensing. So far, however, utilizing their optical properties for this purpose has proven to be challenging. We demonstrate the use of localized surface plasmons generated on a nanostructured thin film, resembling a large array of nano-wires, to detect changes in the optical properties of the CNTs. Chemical selectivity is demonstrated using CO2 in gaseous form at room temperature. The demonstrated methodology results additionally in a new, electrically passive, optical sensing configuration that opens up the possibilities of using CNTs as sensors in hazardous/explosive environments.

Localized surface plasmon fiber device coated with carbon nanotubes for the specific detection of CO2

We explored the potential of a carbon nanotube (CNT) coating working in conjunction with a recently developed localized surface plasmon (LSP) device (based upon a nanostructured thin film consisting of of nano-wires of platinum) with ultra-high sensitivity to changes in the surrounding index. The uncoated LSP sensor’s transmission resonances exhibited a refractive index sensitivity of Δλ/Δn ~ -6200nm/RIU and ΔΙ/Δn ~5900dB/RIU, which is the highest reported spectral sensitivity of a fiber optic sensor to bulk index changes within the gas regime. The complete device provides the first demonstration of the chemically specific gas sensing capabilities of CNTs utilizing their optical characteristics. This is proven by investigating the spectral response of the sensor before and after the adhesion of CNTs to alkane gases along with carbon dioxide. The device shows a distinctive spectral response in the presence of gaseous CO2 over and above what is expected from general changes in the bulk refractive index. This fiber device yielded a limit of detection of 150ppm for CO2 at a pressure of one atmosphere. Additionally the adhered CNTs actually reduce sensitivity of the device to changes in bulk refractive index of the surrounding medium. The polarization properties of the LSP sensor resonances are also investigated and it is shown that there is a reduction in the overall azimuthal polarization after the CNTs are applied. These optical devices offer a way of exploiting optically the chemical selectivity of carbon nanotubes, thus providing the potential for real-world applications in gas sensing in many inflammable and explosive environments. © (2015) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Luminescence of Tb(3+) doped TeO(2)-ZnO-Na(2)O-PbO glasses containing silver nanoparticles

Luminescence properties of Tb(3+) doped TeO(2)-ZnO-Na(2)O-PbO glasses containing silver nanoparticles (NPs) were investigated. The absorption band due to the surface plasmon resonance in the NPs was observed. Its amplitude increases with the heat treatment of the samples that controls the nucleation of the NPs. Tb(3+) emission bands centered at approximate to 485, approximate to 550, approximate to 585, and approximate to 623 nm were detected for excitation at 377 nm. The whole spectrum is intensified by the appropriate annealing time of the samples. Enhancement by approximate to 200% of the Tb(3+) luminescence at 550 nm was observed for samples annealed at 270 degrees C during 62 h. This enhancement effect is due to the local field amplitude that increases with the amount of silver NPs and their aggregates. (C) 2008 American Institute of Physics. [DOI: 10.1063/1.3010867]

Structure of disordered gold-polymer thin films using small angle x-ray scattering

We have investigated the structure of disordered gold-polymer thin films using small angle x-ray scattering and compared the results with the predictions of a theoretical model based on two approaches-a structure form factor approach and the generalized Porod law. The films are formed of polymer-embedded gold nanoclusters and were fabricated by very low energy gold ion implantation into polymethylmethacrylate (PMMA). The composite films span (with dose variation) the transition from electrically insulating to electrically conducting regimes, a range of interest fundamentally and technologically. We find excellent agreement with theory and show that the PMMA-Au films have monodispersive or polydispersive characteristics depending on the implanted ion dose. (C) 2010 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3493241]