Methoxypyrazine removal in grape juice: Development of a removal system using odorant and pheromone binding proteins coupled with bentonite fining

Multicoloured Asian Lady Beetles (MALB) and 7-spot Lady Beetles that infect vineyards can secrete alkyl-methoxypyrazines when they are processed with the grapes, resulting in wines containing a taint. The main methoxypyrazine associated with this taint is 3-isopropyl-2-methoxypyrazine (IPMP). The wines are described as having aroma and flavours of peanut butter, peanut shells, asparagus and earthy which collectively, have become known as “ladybug taint”. To date, there are no known fining agents used commercially added to juice or wine that are effective in removing this taint. The goal of this project was to use previously identified proteins with an ability to bind to methoxypyrazines at low pH, and subsequently develop a binding assay to test the ability of these proteins to bind to and remove methoxypyrazines from grape juice. The piglet odorant binding protein (plOBP) and mouse major urinary protein (mMUP) were identified, cloned and expressed in the Pichia pastoris expression system. Protein expression was induced using methanol and the proteins were subsequently purified from the induction media using anion exchange chromatography. The purified proteins were freeze-dried and rehydrated prior to use in the methoxypyrazine removal assay. The expression and purification system resulted in yields of approximately 78% of purified plOBP and 62% of purified mMUP from expression to rehydration. Purified protein values were 87 mg of purified plOPB per litre of induction media and 19 mg of purified mMUP per litre of induction medium. In order to test the ability of the protein to bind to the MPs, an MP removal assay was developed. In the assay, the purified protein is incubated with either IPMP or 3-isobutyl-2-methoxypyrazine (IBMP) for two hours in either buffer or grape juice. Bentonite is then used to capture the protein-MP complex and the bentonite-protein-MP complex is then removed from solution by filtration. Residual MP is measured in solution following the MP removal assay and compared to that in the starting solution by Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC/MS). GC/MS results indicated that the mMUP was capable of removing IBMP and IPMP from 300 ng/L in buffer pH 4.0, buffer pH 3.5 and Riesling Juice pH 3.5 down to the limit of quantification of the instrument, which is 6ng/L and 2ng/L for IBMP and IPMP, respectively. The results for the plOBP showed that although it could remove some IBMP, it was only approximately 50-70 ng/L more than bentonite treatment followed by filtration, resulting in approximately 100 ng/L of the MPs being left in solution. pIOBP was not able to remove IPMP in buffer pH 3.5 using this system above that removed by bentonite alone. As well, the pIOBP was not able to remove any additional MPs from Chardonnay juice pH 3.5 above that already removed by the bentonite and filtration alone. The mouse MUP was shown to be a better candidate protein for removal of MPs from juice using this system.

METHOXYPYRAZINES AND LADYBUG TAINT IN WINES

Methoxypyrazines are aroma active compounds found in many wine varietals. These compounds can be of either grape-derived nature or can be introduced into wines via Coccinellidae beetles. Regardless of their origin, methoxypyrazines can have either a beneficial role for wine quality, contributing to the specificity of certain wine varietals (Cabernet sauvignon, Cabernet franc, Sauvignon blanc) or a detrimental role, particularly at higher concentrations, resulting in overpowering green, unripe and herbaceous notes. When methoxypyrazines of exogenous nature are responsible for these unpleasant characteristics, wines are considered to be affected by what is generally known as Ladybug taint (LBT). This is work is a collection of studies seeking to create a sensitive analytical method for the detection and quantification of methoxypyrazines in wines; to investigate the role of different Coccinellidae species in the tainting of wines with LBT and identify the main compounds in ladybug tainted wines responsible for the typical green herbaceous characteristics; to determine the human detection threshold of 2,5-dimethyl-3-methoxypyrazine in wines as well as investigate its contribution to the aroma of wines; and finally to survey methoxypyrazine concentrations in a large set of wines from around the world. In the first study, an analytical method for the detection and quantitation of methoxypyrazines in wines was created and validated. The method employs multidimensional Gas Chromatography coupled with Mass Spectrometry to detect four different methoxypyrazines (2,5-dimethyl-3-methoxypyrazine, isobutyl methoxypyrazine, secbutyl methoxypyrazine and isopropyl methoxypyrazines) in wine. The low limits of detection for the compounds of interest, improved separation and isolation capabilities, good validation data, as well as the ease of use recommend this method as a good alternative to the existing analytical methods for methoxypyrazine detection in wine. In the second study the capacity of two Coccinellidae species, found in many wine regions – Harmonia axyridis and Coccinella septempunctata - to taint wines is evaluated. Coccinella septempunctata is shown to be as capable as causing LBT in wines as Harmonia axyridis. Dimethyl methoxypyrazine, previously thought to be of exogenous nature only (from Coccinellidae haemolymph), is also detected in control (untainted) wines. The main odor active compounds in LBT wines are investigated through Aroma Extract Dilution Assay. These compounds are identified as isopropyl methoxypyrazine, sec- and iso- butyl methoxypyrazine. In the third study, the human detection threshold for dimethyl methoxypyrazine in wine is established to be 31 ng/L in the orthonasal modality and 70 ng/L retronasally. After wines spiked with various amounts of dimethyl methoxypyrazine are evaluated sensorally, dimethyl methoxypyrazine causes significant detrimental effects to wine aroma at a concentration of 120 ng/L. The final study examines methoxypyrazine (dimethyl methoxypyrazine, isopropyl methoxypyrazine, secbutyl methoxypyrazine and isobutyl methoxypyrazine) concentrations in 187 wines from around the world. Dimethyl methoxypyrazine is detected in the majority of the red wines tested. Data are interpreted through statistical analyses. A new measure for predicting greenness/herbaceousness in wines - methoxypyrazine “total impact factor” is proposed.

Caractérisation de la toxicocinétique de l’octylphénol chez le rat en vue d’une meilleure analyse de risque toxicologique des perturbateurs endocriniens

Le p-tert-octylphénol est un produit présent dans l’environnement et issu de la dégradation des alkylphénols éthoxylés. Ce composé a la capacité de se lier au récepteur œstrogénique et d’exercer ainsi un léger effet œstrogénique. Les objectifs de cette étude étaient de 1) développer une méthode d'identification de l'octylphénol dans le sang et les tissus à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse jumelée à la spectrométrie de masse, 2) caractériser la toxicocinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol chez le rat Sprague-Dawley mâle et femelle et 3) développer un modèle toxicocinétique à base physiologique permettant de décrire la cinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol inchangé. Pour ce faire, des rats mâle et femelle Sprague-Dawley ont reçu des doses uniques d’octylphénol par les voies intraveineuse, orale et sous-cutanée. Deux autres groupes ont reçu des doses répétées d'octylphénol par voie orale pour une durée de 35 jours consécutifs pour les femelles ou 60 jours pour les mâles. Les concentrations sanguines et tissulaires d’octylphénol ont été mesurées à différents moments après administration à partir d’une méthode d’analyse développée dans nos laboratoires dans le cadre de ce projet. Les expériences impliquant des administrations uniques ont montré que les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol étaient en général plus élevées chez les femelles que chez les mâles. Des expériences réalisées avec des microsomes hépatiques ont confirmé que ces différences étaient vraisemblablement reliées au métabolisme de l'octylphénol. Les expériences impliquant des administrations répétées ont montré qu'il n'y avait pas d'accumulation d'octylphénol dans l'organisme aux doses étudiées. Les résultats obtenus expérimentalement ont servi à développer et valider un modèle toxicocinétique à base physiologique. Ce modèle a permis de simuler adéquatement les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol suite à des expositions intraveineuses, orales et sous-cutanées. En conclusion, cette étude a fourni des données essentielles sur la toxicocinétique de l'octylphénol. Ces données sont nécessaires pour établir la relation entre la dose externe et la dose interne et vont contribuer à une meilleure évaluation des risques liés à l'octylphénol.

Fractionation, chemical and toxicological characterization of tobacco smoke components

La fumée du tabac est un aérosol extrêmement complexe constitué de milliers de composés répartis entre la phase particulaire et la phase vapeur. Il a été démontré que les effets toxicologiques de cette fumée sont associés aux composés appartenant aux deux phases. Plusieurs composés biologiquement actifs ont été identifiés dans la fumée du tabac; cependant, il n’y a pas d’études démontrant la relation entre les réponses biologiques obtenues via les tests in vitro ou in vivo et les composés présents dans la fumée entière du tabac. Le but de la présente recherche est de développer des méthodes fiables et robustes de fractionnement de la fumée à l’aide de techniques de séparation analytique et de techniques de détection combinés à des essais in vitro toxicologiques. Une étude antérieure réalisée par nos collaborateurs a démontré que, suite à l’étude des produits de combustion de douze principaux composés du tabac, l’acide chlorogénique s’est avéré être le composé le plus cytotoxique selon les test in vitro du micronoyau. Ainsi, dans cette étude, une méthode par chromatographie préparative en phase liquide a été développée dans le but de fractionner les produits de combustion de l’acide chlorogénique. Les fractions des produits de combustion de l’acide chlorogénique ont ensuite été testées et les composés responsables de la toxicité de l’acide chlorogénique ont été identifiés. Le composé de la sous-fraction responsable en majeure partie de la cytoxicité a été identifié comme étant le catéchol, lequel fut confirmé par chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse à temps de vol. Des études récentes ont démontré les effets toxicologiques de la fumée entière du tabac et l’implication spécifique de la phase vapeur. C’est pourquoi notre travail a ensuite été focalisé principalement à l’analyse de la fumée entière. La machine à fumer Borgwaldt RM20S® utilisée avec les chambres d’exposition cellulaire de British American Tobacco permettent l’étude in vitro de l’exposition de cellules à différentes concentrations de fumée entière du tabac. Les essais biologiques in vitro ont un degré élevé de variabilité, ainsi, il faut prendre en compte toutes les autres sources de variabilité pour évaluer avec précision la finalité toxicologique de ces essais; toutefois, la fiabilité de la génération de la fumée de la machine n’a jamais été évaluée jusqu’à maintenant. Nous avons donc déterminé la fiabilité de la génération et de la dilution (RSD entre 0,7 et 12 %) de la fumée en quantifiant la présence de deux gaz de référence (le CH4 par détection à ionisation de flamme et le CO par absorption infrarouge) et d’un composé de la phase particulaire, le solanesol (par chromatographie en phase liquide à haute performance). Ensuite, la relation entre la dose et la dilution des composés de la phase vapeur retrouvée dans la chambre d’exposition cellulaire a été caractérisée en utilisant une nouvelle technique d’extraction dite par HSSE (Headspace Stir Bar Sorptive Extraction) couplée à la chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse. La répétabilité de la méthode a donné une valeur de RSD se situant entre 10 et 13 % pour cinq des composés de référence identifiés dans la phase vapeur de la fumée de cigarette. La réponse offrant la surface maximale d’aire sous la courbe a été obtenue en utilisant les conditions expérimentales suivantes : intervalle de temps d’exposition/ désorption de 10 0.5 min, température de désorption de 200°C pour 2 min et température de concentration cryogénique (cryofocussing) de -75°C. La précision de la dilution de la fumée est linéaire et est fonction de l’abondance des analytes ainsi que de la concentration (RSD de 6,2 à 17,2 %) avec des quantités de 6 à 450 ng pour les composés de référence. Ces résultats démontrent que la machine à fumer Borgwaldt RM20S® est un outil fiable pour générer et acheminer de façon répétitive et linéaire la fumée de cigarette aux cultures cellulaires in vitro. Notre approche consiste en l’élaboration d’une méthodologie permettant de travailler avec un composé unique du tabac, pouvant être appliqué à des échantillons plus complexes par la suite ; ex : la phase vapeur de la fumée de cigarette. La méthodologie ainsi développée peut potentiellement servir de méthode de standardisation pour l’évaluation d’instruments ou de l’identification de produits dans l’industrie de tabac.

Synthèse de nouveaux matériaux conducteurs comportant des unités aromatiques conjuguées et analyse de leurs propriétés physico-chimiques

Les matériaux conjugués ont fait l’objet de beaucoup de recherches durant les dernières années. Les nouveaux matériaux présentent des propriétés intéressantes que ce soit au niveau optique, électrique, mécanique ou même les trois en même temps. La synthèse reste la difficulté principale dans la fabrication de dispositifs électroniques. Les méthodes utilisées pour y parvenir sont l’électropolymérisation, le couplage de Suzuki ou de Wittig. Ces techniques comportent encore de nombreuses contraintes et s’avèrent difficilement réalisables à grande échelle. Les thiophènes, les pyrroles et les furanes ont démontré une bonne conductibilité et une bande de conduction basse due à une conjugaison accrue. L’objectif ici est de synthétiser des oligomères principalement composés de thiophènes dans le but d’en caractériser les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de conduction. La synthèse est souvent l’étape délicate de la fabrication de matériaux conjugués. Nous présentons ici une méthode de synthèse simple par modules avec des unités hétérocycliques. Les modules complémentaires sont attachés par condensation entre un aldéhyde et une amine menant à la formation d’un lien robuste, l’azomethine. Les résultats des propriétés photophysiques et électrochimiques de ces matériaux conjugués seront présentés. En ayant recours à différents groupes électrodonneurs et électroaccepteurs, en variant le degré de conjugaison ou en utilisant différents hétérocycles, les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de bande de conduction peuvent être adaptées à volonté, ce qui en fait des matériaux aux propriétés modelables. Ces nouvelles molécules seront analysées pour en déceler les propriétés recherchées dans la fabrication d’OLED. Nous explorerons les domaines de l’oxidation electrochimique réversible et de la polymérisation menant à la fabrication de quelques prototypes simples.

Altérations du métabolisme cardiaque associées à des désordres génétiques de l’oxydation des acides gras à chaîne longue chez la souris

Bien que le changement dans le choix des substrats énergétiques des acides gras (AGs) vers les glucides soit considéré comme bénéfique pour le cœur insuffisant, il n’est pas clair à savoir pourquoi les patients atteints de désordres de la β-oxydation (β-OX) des AGs à chaîne longue (AGCLs) développent des troubles du rythme et des cardiomyopathies. De plus, le traitement actuel ne permet pas de prévenir l’apparition du phénotype clinique chez tous les patients, spécifiquement en condition de jeûne ou de stress. Ainsi, plusieurs modèles de souris déficientes pour des enzymes impliquées dans l’oxydation des acides gras ont été développés de manière à améliorer les connaissances de la maladie ainsi que les traitements offerts aux patients. À cet égard, cette étude vise à évaluer le phénotype métabolique et fonctionnel des cœurs de souris déficientes pour le récepteur activé de la prolifération des peroxysomes-α (PPARα), un facteur de transcription des gènes impliqués notamment dans la β-OX des AGs, et pour la déshydrogénase des acyl-CoA à très longue chaîne (very-long chain acyl-CoA dehydrogenase, VLCAD), le déficit de l’oxydation des AGCLs le plus commun chez l’humain. L’approche expérimentale utilisée comprend plusieurs techniques dont (i) la perfusion ex vivo de cœur de souris au travail combinée à l’utilisation de substrats marqués au carbone 13 (13C) et à l’analyse par chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (GCMS), (ii) l’analyse de l’expression génique par qPCR et (iii) l’analyse de l’activité électrique du cœur in vivo par télémétrie. De manière inattendue, les résultats de cette étude menée chez la souris ont permis de mettre en évidence que des déficits pour des protéines impliquées dans l’oxydation des AGCLs sont associés à des altérations du métabolisme (i) des glucides, (ii) des AGs polyinsaturés (AGPIs), et (iii) mitochondrial, incluant l’anaplérose, en plus d’être liés à des désordres de la fonction électrique du cœur, à savoir une prolongation du segment QTc. Pris dans leur ensemble, les résultats de cette thèse pourraient servir à l’élaboration de nouvelles interventions métaboliques destinées à améliorer les traitements possibles et donc, la qualité de vie des patients atteints de désordres héréditaires de la β-OX des AGCLs.

The Role of Specific Amino Acids in the Formation of Ternary Complexes in Nitrogenase Regulation in the Photosynthetic Bacterium Rhodobacter capsulatus

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +.

Exposition aux pesticides et risque de diabète de type 2 : une étude au nord du Bénin (Afrique de l'Ouest)

Introduction : La présente étude explore pour la première fois en Afrique, l'association entre l'exposition aux pesticides organochlorés (POC) et le risque de diabète de type 2. L’étude se déroule dans la région du Borgou, au nord du Bénin, où l’utilisation intense de pesticides pour la culture du coton coïncide avec une prévalence élevée du diabète par rapport aux autres régions du pays. Objectifs: 1) Décrire le niveau d’exposition de la population des diabétiques et non diabétiques du Borgou par le taux sérique de certains pesticides organochlorés ; 2) Explorer la relation entre le risque de diabète de type 2 et les concentrations sériques des POC; 3) Examiner l’association entre l’obésité globale, le pourcentage de masse grasse et l’obésité abdominale avec les concentrations sériques des POC; 4) Explorer la contribution de certaines sources d’exposition alimentaire et non-alimentaire aux concentrations sériques des POC. Méthodes : Il s'agit d'une étude cas-témoin qui concerne 258 adultes de 18 à 65 ans identifiés par deux valeurs glycémiques capillaire et veineuse au seuil de 7 mmol/l pour les diabétiques et 5,6mmol/l pour les témoins non diabétiques. Les 129 témoins ont été appariés aux 129 cas selon les critères suivants : l’ethnie, l’âge ± 5ans, le sexe et la localité de résidence. Les informations personnelles et celles portant sur les modes d’exposition ont été recueillies par questionnaire. Les concentrations sériques des POC ont été obtenues par chromatographie gazeuse couplée d’une spectrométrie de masse. L’obésité globale est déterminée par l’IMC ≥ 30 kg/m2. L’obésité abdominale est obtenue par le tour de taille selon les critères consensuels d’Alberti et al. pour la définition du syndrome métabolique. Le pourcentage de masse corporelle a été mesuré par bio-impédance électrique et été considéré comme élevé au seuil de 33% chez les femmes et 25% chez les hommes. Résultats: En comparant les 3ème et premier terciles des concentrations de p,p’-DDE et p,p’-DDT, les sujets du 3e tercile étaient deux à trois fois plus susceptibles de présenter du diabète que ceux du 1er tercile. La probabilité d’obésité abdominale ou de l’obésité générale (en contrôlant pour le statut diabétique) était accrue de trois à cinq fois dans le dernier tercile pour trois des quatre POC qui étaient détectables soit p,p’-DDT, β-HCH et trans-Nonachlore. Les facteurs socioéconomiques associés aux POC sériques sont le niveau d’éducation élevé, un meilleur revenu et la résidence en milieu urbain. Les sources d’exposition non alimentaire significativement associées aux concentrations sériques de POC étaient l’exposition professionnelle mixte (primaire et secondaire) aux pesticides et la consommation de tabac local. L’achat en opposition à l’autoproduction de plusieurs groupes de denrées alimentaire était associé à de plus fortes teneurs de POC. La fréquence de consommation hebdomadaire du poisson, des légumes, du fromage, de l’igname séchée ainsi que du mil, de l’huile de palme et de certaines légumineuses comme le soya, le néré, le niébé et le voandzou était significativement associées aux POC sériques. Conclusion : L’étude a mis en évidence la relation entre le niveau sérique de pesticides organochlorés d’une part, du diabète ou de l’obésité d’autre part. Les concentrations de POC observées au Borgou sont assez élevées et méritent d’être suivies et comparées à celles d’autres régions du pays. Les facteurs contribuant à ces teneurs élevées sont le niveau d’éducation élevé, un meilleur revenu, la résidence en milieu urbain, l’achat et la fréquence de consommation de plusieurs aliments. La contribution du mélange des polluants auxquels les habitants de cette région sont exposés à la prévalence croissante du diabète mérite d’être examinée, notamment les pesticides utilisés actuellement dans la région pour les productions de rente et autres polluants persistants. Ces résultats contribuent à accroître les connaissances sur les facteurs de risque émergents pour le diabète que sont des polluants environnementaux comme les pesticides. Les implications pour la santé publique sont importantes tant pour la prévention des maladies chroniques que pour la sensibilisation des autorités politiques du pays pour une politique agricole et sanitaire adéquate visant la réduction de l’exposition aux pesticides.

Development of a Phase Separation Strategy in Macrocyclization Reactions

La réaction de macrocyclisation est une transformation fondamentale en chimie organique de synthèse. Le principal défi associcé à la formation de macrocycles est la compétition inhérente avec la réaction d’oligomérisation qui mène à la formation de sousproduits indésirables. De plus, l’utilisation de conditions de dilutions élevées qui sont nécessaires afin d’obtenir une cyclisation “sélective”, sont souvent décourageantes pour les applications à l’échelle industrielle. Malgré cet intérêt pour les macrocycles, la recherche visant à développer des stratégies environnementalement bénignes, qui permettent d’utiliser des concentrations normales pour leur synthèse, sont encore rares. Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle approche générale visant à améliorer l’efficacité des réactions de macrocyclisation en utilisant le contrôle des effets de dilution. Une stratégie de “séparation de phase” qui permet de réaliser des réactions à des concentrations plus élevées a été developpée. Elle se base sur un mélange de solvant aggrégé contrôlé par les propriétés du poly(éthylène glycol) (PEG). Des études de tension de surface, spectroscopie UV et tagging chimique ont été réalisées afin d’élucider le mécanisme de “séparation de phase”. Il est proposé que celui-ci fonctionne par diffusion lente du substrat organique vers la phase ou le catalyseur est actif. La nature du polymère co-solvant joue donc un rôle crutial dans le contrôle de l’aggrégation et de la catalyse La stratégie de “séparation de phase” a initiallement été étudiée en utilisant le couplage oxidatif d’alcynes de type Glaser-Hay co-catalysé par un complexe de cuivre et de nickel puis a été transposée à la chimie en flux continu. Elle fut ensuite appliquée à la cycloaddition d’alcynes et d’azotures catalysée par un complexe de cuivre en “batch” ainsi qu’en flux continu.

Étude du potentiel cytotoxique des nanotubes de carbone simple-paroi chez les cellules épithéliales alvéolaires humaines A549

Il existe un grand intérêt pour le développement et les applications des nanotubes de carbone (NTC) car ils ont un énorme potentiel dans diverses applications industrielles. Cependant, leur dimension nanométrique et leur composition chimique peuvent constituer un risque sur la santé humaine. Les mécanismes responsables de la toxicité des NTC restent encore à définir. L’objectif de ce projet était de déterminer la toxicité potentielle de deux types de nanotubes de carbone simple-paroi (NTCSP): RN 000 et RN 003 chez une lignée cellulaire de pneumocytes de type II, les cellules A549. Méthodologie: Les essais MTS et PrestoBlue®, le test d’exclusion au bleu de trypan, la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs ont été utilisés pour déterminer la toxicité potentielle de ces NTCSP. Résultats: Suite à une exposition de courte durée (24h), l’essai MTS a montré une diminution de la viabilité cellulaire significative de 20% pour [NTCSP] à 50 et 100 µg/ml et 74% pour [NTCSP] à 1000 µg/mL. Le PrestoBlue® a indiqué une mortalité cellulaire d’environ 45% et de 85% pour des concentration de 500 et 1000 µg/ml de NTCSP. Cependant, les données de l’essai d’exclusion du bleu de trypan ont montré que les NTCSP n’altèrent pas la viabilité cellulaire. L’absence d’une altération de la viabilité cellulaire a été confirmée avec la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs. Cependant, l’interaction des NTCSP avec les cellules A549 a induit un changement de la morphologie cellulaire ; une diminution de la taille ainsi une augmentation de la structure interne des cellules A549. À une exposition à longue durée (72h), les données ont confirmé les résultats d’exposition à 24h. En effet, il n’y a de pas de mortalité cellulaire, mais une diminution de la prolifération cellulaire. En conclusion, notre étude indique que le RN 000 et le RN 003 interagissent avec les cellules A549 sans altérer leur viabilité, mais en induisant une dysfonction mitochondriale qui pourrait avoir plusieurs conséquences sur la fonction cellulaire.

Bioactivity Profile of Polyunsaturated Fattyacid extracts from Sardinella longiceps and Sardinella fimbriata – A comparative study

The oceans have proved to be an interminable source of new and effective drugs. Innumerable studies have proved that specific compounds isolated from marine organisms have great nutritional and pharmaceutical value. Polyunsaturated fattyacids (PUFA) in general are known for their dietary benefits in preventing and curing several critical ailments including Coronary heart disease (CHD) and cancers of various kinds. Eicosapentaenoic Acid (EPA) and Docosahexaenoic Acid (DHA) are two PUFA which are entirely marine in origin – and small Clupeoid fishes like sardines are known to be excellent sources of these two compounds. In this study, we selected two widely available Sardine species in the west coast, Sardinella longiceps and Sardinella fimbriata, for a comparative analysis of their bioactive properties. Both these sardines are known to be rich in EPA and DHA, however considerable seasonal variation in its PUFA content was expected and these variations studied. An extraction procedure to isolate PUFA at high purity levels was identified and the extracts obtained thus were studied for anti-bacterial, anti-diabetic and anti-cancerous properties.Samples of both the sardines were collected from landing centre, measured and their gut content analysed in four different months of the year – viz. June, September, December and March. The fish samples were analyzed for fattyacid using FAME method using gas chromatography to identify the full range of fattyacids and their respective concentration in each of the samples. The fattyacids were expressed in mg/g meat and later converted to percentage values against total fatty acids and total PUFA content. Fattyacids during winter season (Dec-Mar) were found to be generally higher than spawning season (June-Sept). PUFA dominated the profiles of both species and average PUFA content was also higher during winter. However, it was found that S. longiceps had proportionately higher EPA as compared to S. fimbriata which was DHA rich. Percentage of EPA and DHA also varied across months for both species – the spawning season seemed to show higher EPA content in S. longiceps and higher DHA content in S. fimbriata. Gut content analysis indicate that adult S. fimbriata is partial to zooplanktons which are DHA rich while adult S. longiceps feed mainly on EPA rich phytoplankton. Juveniles of both species, found mainly in winter, had a gut content showing more mixed diet. This difference in the feeding pattern reflect clearly in their PUFA profile – adult S. longiceps, which dominate the catch during the spawn season, feeding mostly on phytoplankton is concentrated with EPA while the juveniles which are found mostly in the winter season has slightly less EPA proportion as compared to adults. The same is true for S. fimbriata adults that are caught mostly in the spawning season; being rich in DHA as they feed mainly on zooplankton while the juveniles caught during winter season has a relatively lower concentration of DHA in their total PUFA.Various extraction procedures are known to obtain PUFA from fish oil. However, most of them do not give high purity and do not use materials indicated as safe. PUFA extracts have to be edible and should not have harmful substances for applying on mice and human subjects. Some PUFA extraction procedures, though pure and non-toxic, might induce cis-trans conversions during the extraction process. This conversion destroys the benefits of PUFA and at times is harmful to human body. A method free from these limitations has been standardized for this study. Gas Chromatography was performed on the extracts thus made to ensure that it is substantially pure. EPA: DHA ratios for both samples were derived - for S. longiceps this ratio was 3:2, while it was 3:8 for S. fimbriata.Eight common strains of gram positive and gram negative bacterial strains were subjected to the PUFA extracts from both species dissolved in acetone solution using Agar Well Diffusion method. The activity was studied against an acetone control. At the end of incubation period, zones of inhibition were measured to estimate the activity. Minimum inhibitory concentration for each of the active combinations was calculated by keeping p < 0.01 as significant. Four of the bacteria including multi-resistant Staphylococcus aureus were shown to be inhibited by the fish extracts. It was also found that the extracts from S. fimbriata were better than the one from S. longiceps in annihilating harmful bacteria.Four groups of mice subjects were studied to evaluate the antidiabetic properties of the PUFA extracts. Three groups were induced diabetes by administration of alloxan tetra hydrate. One group without diabetes was kept as control and another with diabetes was kept as diabetic control. For two diabetic groups, a prescribed amount of fish extracts were fed from each of the extracts. The biochemical parameters like serum glucose, total cholesterol, LDL & HDL cholesterol, triglycerides, urea and creatinine were sampled from all four groups at regular intervals of 7 days for a period of 28 days. It was found that groups fed with fish extracts had marked improvement in the levels of total LDL & HDL cholesterol, triglycerides and creatinine. Groups fed with extracts from S. fimbriata seem to have fared better as compared to S. longiceps. However, both groups did not show any marked improvement in blood glucose levels or levels of urea.Cell lines of MCF-7 (Breast Cancer) and DU-145 (Prostate Cancer) were used to analyse the cytotoxicity of the PUFA extracts. Both cell lines were subjected to MTT Assay and later the plates were read using an ELISA reader at a wavelength of 570nm. It was found that both extracts had significant cytotoxic effects against both cell lines and a peak cytotoxicity of 85-90% was apparent. IC50 values were calculated from the graphs and it was found that S. longiceps extracts had a slightly lower IC50 value indicating that it is toxic even at a lower concentration as compared to extracts from S. fimbriata.This study summarizes the bioactivity profile of PUFA extracts and provides recommendation for dietary intake; fish based nutritional industry and indigenous pharmaceutical industry. Possible future directions of this study are also elaborated.

Biochemical effects of the pesticide Chlorpyrifos on the fish Oreochromis mossambicus (Peters)

Man uses a variety of synthetic material for his comfortable materialistic life. Thus human interactions may become harmful for various terrestrial and aquatic lives. This is by contaminating their habitat and by becoming a threat to organisms itself. Thus the application and dispersal of several organic pollutants can lead to the development of several mutated forms of the species when exposed to sublethal concentrations of the pollutants. Otherwise, a decrease in number or extinction of these exposed species from earth's face may happen. Pesticides, we use for the benefit of crop yield, but its persistence may become havoc to non-target organism. Pesticides reaching a reservoir can subsequently enter the higher trophic levels. Organophosphorus compounds have replaced all other pesticides, due to its acute toxicity and non-persistent nature.Hence the present study has concentrated on the toxicity of the largest market-selling and multipurpose pesticide, chlorpyrifos on the commonly edible aquatic organism, fish. The euryhaline cichlid Oreochromis mossambicus was selected as animal model. The study has concentrated on investigating biochemical parameters like tissue-specific enzymes, antioxidant and lipid-peroxidation parameters, haematological and histological observations and pesticide residue analysis.Major findings of this work have indicated the possibility of aquatic toxicity to the fish on exposure to the insecticide chlorpyrifos. The insecticide was found as effective to induce structural alteration, depletion in protein content, decrease in different metabolic enzyme levels and to progress lipid peroxidation on a prolonged exposure of 21 days. The ion-transport mechanism was found to be adversely affected. Electrophoretic analysis revealed the disappearance of several protein bands after 21days of exposure to chlorpyrifos. Residue, analysis by gas chromatography explored the levels of chlorpyrifos retaining on the edible tissue portions during exposure period of 21days and also on a recovery period of 10 days.

A study on the Immobilizaton of Enzymes on Polymeric Supports

This work was focused to study the immobilization of enzymes on polymers. A large range of polymer matrices have been employed as supports for enzyme immobilization. Here polyaniline (PAN!) and poly(0~toluidine) (POT) were used as supports. PANI and POT provides an excellent support for enzyme immobilization by virtue of its facile synthesis, superior chemical and physical stabilities, and large retention capacity. We selected industrially important starch hydrolyzing enzymes a-amylase and glucoamylase for the study. In this work the selected enzymes were immobilized via adsorption and covalent bonding methods.To optimize the catalytic efficiency and stability of the resulting biocatalysts, the attempt was made to understand the immobilization effects on enzymatic properties. The effect of pH of the immobilization medium, time of immobilization on the immobilization efficiency was observed. The starch hydrolyzing activity of free 0:-amylase and glucoamylase were compared with immobilized forms. Immobilization on solid supports changes the microenvironment of the enzyme there by influences the pH and temperature relationship on the enzymatic activity. Hence these parameters also optimized. The reusability and storage stability of immobilized enzymes an important aspect from an application standpoint, especially in industrial applications. Taking in to consideration of this, the reusability and the long tenn storage stability of the immobilized enzyme investigated.

Characterization of laccase from Streptomyces psammoticus: an enzyme for eco-friendly treatment of environmental pollutants

The present study has identified an actinomycete culture (S. psammoticus) which was capable of producing all the three major ligninolytic enzymes. The study revealed that least explored mangrove regions are potential sources for the isolation of actinomycetes with novel characteristics. The laccase production by the strain in SmF and SSF was found to be much higher than the reported values. The growth of the organism was favoured by alkaline pH and salinity of the medium. The enzyme also exhibited novel characteristics such as activity and stability at alkaline pH and salt tolerance. These two characters are quite significant from the industrial point of view making the enzyme an ideal candidate for industrial applications. Many of the application studies to date are focused on enzymes from fungal sources. However, the fungal laccases, which are mostly acidic in nature, could not be used universally for all application purposes especially, for the treatment of effluents from different industries, largely due to the alkaline nature of the effluents. Under such situations the enzymes from organisms like S. psammoticus with wide pH range could play a better role than the fungal counterparts. In the present study, the ability of the isolated strain and laccase in the degradation of dyes and phenolic compounds was successfully proved. The reusability of the immobilized enzyme system made the entire treatment process inexpensive. Thus it can be concluded from the present study that the laccase from this organism could be hopefully employed for the eco-friendly treatment of dye or phenol containing industrial effluents from various sources.

Investigations on some technologically important polymer nanocomposite films and semi crystalline Polypyrrole films

The present work deals with investigations on some technologically important polymer nanocomposite films and semi crystalline polypyrrole films.The work presented in the thesis deals with the realization of novel polymer nanocomposites with enhanced functionalities and prospects of applications in the fields related to nanophotonics. The development of inorganic/polymer nanocomposites is a rapidly expanding multidisciplinary research area with profound industrial applications. The incorporation of suitable inorganic nanoparticles can endow the resulting nanocomposites with excellent electrical, optical and mechanical properties. The first chapter gives a general introduction to nanotechnology, nanocomposites and conducting polymers. It also emphasizes the significance of ZnO among other semiconductor materials, which forms the inorganic filler in the polymer nanocomposites of the present study. This chapter also gives general ideas on the properties and applications of conducting polymers with special reference to polypyrrole. The objectives of the present investigations are also clearly addressed in this chapter. The second chapter deals with the theoretical aspects and details of all the experimental techniques used in the present work for the synthesis of polymer nanocomposites and polypyrrole samples and their various characterizations. Chapter 3 is based on the preparation and properties of ZnO/Polystyrene nanocomposite film samples. The optical properties of these nanocomoposite films are discussed in detail.Chapter 4 deals with the detailed investigations on the dependence of the optical properties of ZnO/PS nanocomposite films on the size of the nanostructured ZnO filler material. The excellent UV shielding properties of these nanocomposite films form the highlight of this chapter. Chapter 5 gives a detailed analysis of the nonlinear optical properties of ZnO/PS nanocomposite films using Z scan technique. The effect of ZnO particle size in the composite films on the nonlinear properties is discussed. The present study involves two phases of research activities. In the first phase, the linear and nonlinear optical properties of ZnO/polymer nanocomposites are investigated in detail. The second phase of work is centered on the synthesis and related studies on highly crystalline polypyrrole films. In the present study, nanosized ZnO is synthesized using wet chemical method at two different temperatures