Applications of functional nucleic acids in imaging, sensing and drug delivery and investigations of DNAzyme-metal interactions

Functional nucleic acids (FNA), including nucleic acids catalysts (ribozymes and DNAzymes) and ligands (aptamers), have been discovered in nature or isolated in a laboratory through a process called in vitro selection. They are nucleic acids with functions similar to protein enzymes or antibodies. They have been developed into sensors with high sensitivity and selectivity; it is realized by converting the reaction catalyzed by a DNAzyme/ribozyme or the binding event of an aptamer to a fluorescent, colorimetric or electrochemical signal. While a number of studies have been reported for in vitro sensing using DNAzymes or aptamers, there are few reports on in vivo sensing or imaging. MRI is a non-invasive imaging technique; smart MRI contrast agents were synthesized for molecular imaging purposes. However, their rational design remains a challenge due to the difficulty to predict molecular interactions. Chapter 2 focuses on rational design of smart T1-weighted MRI contrast agents with high specificity based on DNAzymes and aptamers. It was realized by changing the molecular weight of the gadolinium conjugated DNA strand with the analytes, which lead to analyte-specific water proton relaxation responses and contrast changes on an MRI image. The designs are general; the high selectivity of FNA was retained. Most FNA-based fluorescent sensors require covalent labeling of fluorophore/quencher to FNAs, which incurrs extra expenses and could interfere the function of FNAs. Chapter 3 describes a new sensor design avoiding the covalent labeling of fluorophore and quencher. The fluorescence of malachite green (MG) was regulated by the presence of adenosine. Conjugate of aptamers of MG and adenosine and a bridge strand were annealed in a solution containing MG. The MG aptamer did not bind MG because of its hybridization to the bridge strand, resulting in low fluorescence signal of MG. The hybridization was weakened in the presence of adenosine, leading to the binding of MG to its aptamer and a fluorescence increase. The sensor has comparable detection limit (20 micromolar) and specificity to its labeled derivatives. Enzymatic activity of most DNAzymes requires metal cations. The research on the metal-DNAzyme interaction is of interest and challenge to scientists because of the lack of structural information. Chapters 4 presents the research on the characterization of the interaction between a Cu2+-dependent DNAzyme and Cu2+. Electron paramagnetic resonance (EPR) and UV-Vis spectroscopy were used to probe the binding of Cu2+ to the DNAzyme; circular dichroism was used to probe the conformational change of the DNAzyme induced by Cu2+. It was proposed that the conformational change by the Cu2+ binding is important for the activity of the DNAzyme. Chapter 5 reports the dependence of the activity of 8-17 DNAzyme on the presence of both Pb2+ and other metal cations including Zn2+, Cd2+ and Mg2+. It was discovered that presence of those metal cations can be cooperative or inhibitive to 8-17 activity. It is hypothesized that the 8-17 DNAzyme had multiple binding sites for metal cations based on the results. Cisplatin is effective killing tumor cells, but with significant side effects, which can be minimized by its targeted delivery. Chapter 6 focuses on the effort to functionalize liposomes encapsulating cisplatin by an aptamer that selectively bind nucleolin, an overexpressed protein by breast cancer cells. The study proved the selective cytotoxicity to breast cancer cells of the aptamer-functionalized liposome.

Dielectric studies of Liquid Crystal Nanocomposites and Nanomaterial systems.

Liquid crystals (LCs) have revolutionized the display and communication technologies. Doping of LCs with inorganic nanoparticles such as carbon nanotubes, gold nanoparticles and ferroelectric nanoparticles have garnered the interest of research community as they aid in improving the electro-optic performance. In this thesis, we examine a hybrid nanocomposite comprising of 5CB liquid crystal and block copolymer functionalized barium titanate ferroelectric nanoparticles. This hybrid system exhibits a giant soft-memory effect. Here, spontaneous polarization of ferroelectric nanoparticles couples synergistically with the radially aligned BCP chains to create nanoscopic domains that can be rotated electromechanically and locked in space even after the removal of the applied electric field. The resulting non-volatile memory is several times larger than the non-functionalized sample and provides an insight into the role of non-covalent polymer functionalization. We also present the latest results from the dielectric and spectroscopic study of field assisted alignment of gold nanorods.

Quiralidade, superfície de energia potencial e dinâmica de complexos envolvendo H2O2 + gases nobres

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2015.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Filmes de nanopartículas de TiO2 e óxido de grafeno para fotocatálise

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2016.

Surface Activity and Bulk Defect Chemistry of Solid Oxide Fuel Cell Cathodes

In the first half of this thesis, a new robotic instrument called a scanning impedance probe is presented that can acquire electrochemical impedance spectra in automated fashion from hundreds of thin film microelectrodes with systematically varied properties. Results from this instrument are presented for three catalyst compositions that are commonly considered for use in state-of-the-art solid oxide fuel cell cathodes. For (La_0.8Sr_0.2)_0.95Mn_O3+δ (LSM), the impedance spectra are well fit by a through-the-film reaction pathway. Transport rates are extracted, and the surface activity towards oxygen reduction is found to be correlated with the number of exposed grain boundary sites, suggesting that grain boundaries are more surface-active than grains. For La_0.5Sr_0.5Co_O3-δ (LSC), the surface activity degrades ~50x initially and then stabilizes at a comparable activity to that of previously measured Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O3-δ films. For Sr_0.06Nb_0.06Bi_1.87O₃ (SNB), an example of a doped bismuth oxide, the activity of the metal-SNB boundary is measured.

In the second half of this thesis, SrCo_0.9Nb_0.1O_3-δ is selected as a case study of perovskites containing Sr and Co, which are the most active oxygen reduction catalysts known. Several bulk properties are measured, and synchrotron data are presented that provide strong evidence of substantial cobalt-oxygen covalency at high temperatures. This covalent bonding may be the underlying source of the high surface activity.

Cold vapour generation electrothermal atomic absorption spectrometry and solid phase extraction based on a new nanosorbent for sensitive HG determination in environmental samples (sea water and river water)

Mercury is not an essential element for plant or animal life and it is a potential environmental toxic because of its tendency to form covalent bonds with organic molecules and the high stability of the Hg-C bond. Reports estimate a total mercury concentration in natural waters ranging from 0.2 to 100 ng L-1. Due to this fact, highly sensitive methods are required for direct determination of such extremely low levels. In this work, a rapid and simple method was developed for separation and preconcentration of mercury by flow injection solid phase extraction coupled with on-line chemical vapour generation electrothermal atomic absorption spectrometry. The system is based on chelating retention of the analyte onto the mini column filled with a mesoporous silica functionalized with 1,5 bis (di-2-pyridyl) methylene thiocarbohydrazide. The main aim of this work was to develop a precise and accurate method for the determination of the Hg. Under the optima conditions and 120 s preconcentration time, the detection limit obtained was 0.009 μg L-1, with RSDs 3.7 % for 0.2 μg L-1, 4.8 % for 1 μg L-1 and enrichment factor 4, Furthermore, the method proposed has permitted the determination of Hg with a reduction in the analysis time, the sample throughput was about 18 h-1, low consumption of reagents and sample volume. The method was applied to the determination of Hg in sea water and river water. For the quality control of the analytical performance and the validation of the newly developed method, the analysis of two certified samples, TMDA 54.4 Fortified Lake, and LGC6187 River sediment was addressed. The results showed good agreement with the certified values.

Enhancement of non-viral transfection efficiency with nuclear localization signal peptides

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Strategies for the one-step immobilization–purification of enzymes as industrial biocatalysts

In this review, we detail the efforts performed to couple the purification and the immobilization of industrial enzymes in a single step. The use of antibodies, the development of specific domains with affinity for some specific supports will be revised. Moreover, we will discuss the use of domains that increase the affinity for standard matrices (ionic exchangers, silicates). We will show how the control of the immobilization conditions may convert some unspecific supports in largely specific ones. The development of tailor-made heterofunctional supports as a tool to immobilize–stabilize–purify some proteins will be discussed in deep, using low concentration of adsorbent groups and a dense layer of groups able to give an intense multipoint covalent attachment. The final coupling of mutagenesis and tailor made supports will be the last part of the review.

Unraveling the performance of dispersion-corrected functionals for the accurate description of weakly bound natural polyphenols

Long-range non-covalent interactions play a key role in the chemistry of natural polyphenols. We have previously proposed a description of supramolecular polyphenol complexes by the B3P86 density functional coupled with some corrections for dispersion. We couple here the B3P86 functional with the D3 correction for dispersion, assessing systematically the accuracy of the new B3P86-D3 model using for that the well-known S66, HB23, NCCE31, and S12L datasets for non-covalent interactions. Furthermore, the association energies of these complexes were carefully compared to those obtained by other dispersion-corrected functionals, such as B(3)LYP-D3, BP86-D3 or B3P86-NL. Finally, this set of models were also applied to a database composed of seven non-covalent polyphenol complexes of the most interest.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Oligodeoxynucleotide synthesis using protecting groups and a linker cleavable under non-nucleophilic conditions

Oligodeoxynucleotides (ODNs) containing latent electrophilic groups can be highly useful in antisense drug development and many other applications such as chemical biology and medicine, where covalent cross-linking of ODNs with mRNA, protein and ODN is required. However, such ODN analogues cannot be synthesized using traditional technologies due to the strongly nucleophilic conditions used in traditional deprotection/cleavage process. To solve this long lasting and highly challenging problem in nucleic acid chemistry, I used the 1,3-dithian-2-yl-methoxycarbonyl (Dmoc) function to protect the exo-amino groups on the nucleobases dA, dC and dG, and to design the linker between the nascent ODN and solid support. These protecting groups and linker are completely stable under all ODN synthesis conditions, but can be readily cleaved under non-nucleophilic and nearly neutral conditions. As a result, the new ODN synthesis technology is universally useful for the synthesis of electrophilic ODNs. The dissertation is mainly comprised of two portions. In the first portion, the development of the Dmoc-based linker for ODN synthesis will be described. The construction of the dT-Dmoc-linker required a total of seven steps to synthesize. The linker was then anchored to the solid support―controlled pore glass (CPG). In the second portion, the syntheses of Dmoc-protected phosphoramidites ODN synthesis monomers including Dmoc-dC-amidite, Dmoc-dA-amidite, Dmoc-dG-amidite are described. The protection of dC and dA with 1,3-dithian-2-yl-methyl 4-nitrophenyl carbonate proceeded smoothly giving Dmoc-dC and Dmoc-dA in good yields. However, when the same acylation procedure was applied for the synthesis of Dmoc-dG, very low yield was obtained. This problem was later solved using a highly innovative and environmentally benign procedure, which is expected to be widely useful for the acylation of the exo-amino groups on nucleoside bases. The reactions to convert the Dmoc-protected nucleosides to phosphoramidite monomers proceeded smoothly with high yields. Using the Dmoc phosphoramidite monomers dA, dC, dG and the commercially available dT, and the Dmoc linker, four ODN sequences were synthesized. In all cases, excellent coupling yields were obtained. ODN deprotection/cleavage was achieved by using non-nucleophilic oxidative conditions. The new technology is predicted to be universally useful for the synthesis of ODNs containing one or more electrophilic functionalities.

c-Type cytochrome biogenesis can occur via a natural Ccm system lacking CcmH, CcmG, and the heme-binding histidine of CcmE

The Ccm cytochrome c maturation System I catalyzes covalent attachment of heme to apocytochromes c in many bacterial species and some mitochondria. A covalent, but transient, bond between heme and a conserved histidine in CcmE along with an interaction between CcmH and the apocytochrome have been previously indicated as core aspects of the Ccm system. Here, we show that in the Ccm system from Desulfovibrio desulfuricans, no CcmH is required, and the holo-CcmE covalent bond occurs via a cysteine residue. These observations call for reconsideration of the accepted models of System I-mediated c-type cytochrome biogenesis. © 2010 by The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, Inc.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

The initial phase of sodium sulfite pulping of softwood : A comparison of different pulping options

Single stage and two-stage sodium sulfite cooking were carried out on either spruce, pine or pure pine heartwood chips to investigate the influence of several process parameters on the initial phase of such a cook down to about 60 % pulp yield. The cooking experiments were carried out in the laboratory with either a lab-prepared or a mill-prepared cooking acid and the temperature and time were varied. The influences of dissolved organic and inorganic components in the cooking liquor on the final pulp composition and on the extent of side reactions were investigated. Kinetic equations were developed and the activation energies for delignification and carbohydrate dissolution were calculated using the Arrhenius equation. A better understanding of the delignification mechanisms during bisulfite and acid sulfite cooking was obtained by analyzing the lignin carbohydrate complexes (LCC) present in the pulp when different cooking conditions were used. It was found that using a mill-prepared cooking acid beneficial effect with respect to side reactions, extractives removal and higher stability in pH during the cook were observed compared to a lab-prepared cooking acid. However, no significant difference in degrees of delignification or carbohydrate degradation was seen.  The cellulose yield was not affected in the initial phase of the cook however; temperature had an influence on the rates of both delignification and hemicellulose removal. It was also found that the  corresponding activation energies increased in the order:  xylan, glucomannan, lignin and cellulose. The cooking temperature could thus be used to control the cook to a given carbohydrate composition in the final pulp. Lignin condensation reactions were observed during acid sulfite cooking, especially at higher temperatures. The LCC studies indicated the existence of covalent bonds between lignin and hemicellulose components with respect to xylan and glucomannan. LCC in native wood showed the presence of phenyl glycosides, ϒ-esters and α-ethers; whereas the α-ethers  were affected during sulfite pulping. The existence of covalent bonds between lignin and wood polysaccharides might be the rate-limiting factor in sulfite pulping.