Orientation of Non-Native 2-Monosubstituted and 2,3-Disubstituted 1,4-Naphthoquinones in the A1 binding site of PSI and the effect on the rate of electron transfer : an electron paramagnetic resonance spectroscopy study

The proce-ss ofoxygenic photosynthesis is vital to life on Earth. the central event in photosynthesis is light induced electron transfer that converts light into energy for growth. Ofparticular significance is the membrane bound multisubunit protein known as Photosystem I (PSI). PSI is a reaction centre that is responsible for the transfer of electrons across the membrane to reduce NADP+ to NADPH. The recent publication ofa high resolution X-ray structure of PSI has shown new information about the structure, in particular the electron transfer cofactors, which allows us to study it in more detail. In PSI, the secondary acceptor is crucial for forward electron transfer. In this thesis, the effect of removing the native acceptor phylloquinone and replacing it with a series of structurally related quinones was investigated via transient electron paramagnetic resonance (EPR) experiments. The orientation of non native quinones in the binding site and their ability to function in the electron transfer process was determined. It was found that PSI will readily accept alkyl naphthoquinones and anthraquinone. Q band EPR experiments revealed that the non-native quinones are incorporated into the binding site with the same orientation of the headgroup as in the native system. X band EPR spectra and deuteration experiments indicate that monosubstituted naphthoquinones are bound to the Al site with their side group in the position occupied by the methyl group in native PSI (meta to the hydrogen bonded carbonyl oxygen). X band EPR experiments show that 2, 3- disubstituted methyl naphthoquinones are also incorporated into the Al site in the same orientation as phylloquinone, even with the presence of a halogen- or sulfur-containing side chain in the position normally occupied by the phytyl tail ofphylloquinone. The exception to this is 2-bromo-3-methyl --.- _. -. - -- - - 4 _._ _ _ - _ _ naphthoquinone which has a poorly resolved spectrum, making determination of the orientation difficuh. All of the non-native quinones studied act as efficient electron acceptors. However, forward electron transfer past the quinone could only be demonstrated for anthraquinone, which has a more negative midpoint potential than phylloquinone. In the case of anthraquinone, an increased rate of forward electron transfer compared to native PSI was found. From these results we can conclude that the rate ofelectron transfer from Al to Fx in native PSI lies in the normal region ofthe Marcus Curve.

Pigment orientation changes detected by low temperature linear dichroism spectroscopy: cold-hardening transition in phycobilisome-containing organisms

Low temperature (77K) linear dichroism spectroscopy was used to characterize pigment orientation changes accompanying the light state transition in the cyanobacterium, Synechococcus sp. pee 6301, and cold-hardening in winter rye (Secale cereale L. cv. Puma). Samples were oriented for spectroscopy using the gel squeezing method (Abdourakhmanov et aI., 1979) and brought to 77K in liquid nitrogen. The linear dichroism (LD) spectra of Synechococcus 6301 phycobilisome/thylakoid membrane fragments cross-linked in light state 1 and light state 2 with glutaraldehyde showed differences in both chlorophyll a and phycobilin orientation. A decrease in the relative amplitude of the 681nm chlorophyll a positive LD peak was observed in membrane fragments in state 2. Reorientation of the phycobilisome (PBS) during the transition to state 2 resulted in an increase in core allophycocyanin absorption parallel to the membrane, and a decrease in rod phycocyanin parallel absorption. This result supports the "spillover" and "PBS detachment" models of the light state transition in PBS-containing organisms, but not the "mobile PBS" model. A model was proposed for PBS reorientation upon transition to state 2, consisting of a tilt in the antenna complex with respect to the membrane plane. Linear dichroism spectra of PBS/thylakoid fragments from the red alga, Porphyridium cruentum, grown in green light (containing relatively more PSI) and red light (containing relatively more PSll) were compared to identify chlorophyll a absorption bands associated with each photosystem. Spectra from red light - grown samples had a larger positive LD signal on the short wavelength side of the 686nm chlorophyll a peak than those from green light - grown fragments. These results support the identification of the difference in linear dichroism seen at 681nm in Synechococcus spectra as a reorientation of PSll chromophores. Linear dichroism spectra were taken of thylakoid membranes isolated from winter rye grown at 20°C (non-hardened) and 5°C (cold-hardened). Differences were seen in the orientation of chlorophyll b relative to chlorophyll a. An increase in parallel absorption was identified at the long-wavelength chlorophyll a absorption peak, along with a decrease in parallel absorption from chlorophyll b chromophores. The same changes in relative pigment orientation were seen in the LD of isolated hardened and non-hardened light-harvesting antenna complexes (LHCII). It was concluded that orientational differences in LHCII pigments were responsible for thylakoid LD differences. Changes in pigment orientation, along with differences observed in long-wavelength absorption and in the overall magnitude of LD in hardened and non-hardened complexes, could be explained by the higher LHCII monomer:oligomer ratio in hardened rye (Huner et ai., 1987) if differences in this ratio affect differential light scattering properties, or fluctuation of chromophore orientation in the isolated LHCII sample.

Effect of pH on non-photochemical quenching in spinach photsystem 2 particles as measured by picosecond fluorescence decay kinetics

Single photon timing was used to study picosecond chlorophyll a fluorescence decay kinetics of pH induced non-photochemical quenching in spinach photosystem 2 particles. The characteristics of this quenching are a decrease in chlorophyll a fluorescence yield as well as a decrease in photochemistry at low pH. Picosecond kinetics of room temperature fluorescence temporally resolve the individual components of the steady state fluorescence yield into components that are related to primary energy conversion processes in photosystem 2. Four components were resolved for dark adapted (Fo), light saturated (Fm), and chemically reduced (Nadithionite) photosystem 2 reaction centres. The fastest and slowest components, indicative of energy transfer to and energy capture by the photosystem 2 reaction centre and uncoupled ("dead") chlorophyll, respectively, were not affected by changing pH from 6.5 to 4.0. The two intermediate components, indicative of electron transfer processes within the reaction centre of photosystem 2, were affected by the pH change. Results indicate that the decrease in the steady state fluorescence yield at low pH was primarily due to the decrease in lifetime and amplitude of the slower of the intermediate components. These results imply that the decrease in steady state fluorescence yield at low pH is not due to changes in energy transfer to and energy capture by the photosystem 2 reaction centre, but is related to changes in charge stabilization and charge recombination in the photosystem 2 reaction centre.

Crystal growth, characterization and point contact spectroscopy on CuxTiSe₂

Various s e t s of single c rys t a l s and poly c rys t a l s of Cux TiSe2 were grown. X- r ay diffraction and ene rgy dispersive spe c t ros copy r e sul t s verified tha t the c rys t a l s were the cor r e c t compos i t ion and c rys t a l s t ruc tur e . Re s i s t ivi ty me a sur ement s and magne t i c sus c ept ibi l i ty me a sur ement s de t e rmined the supe r conduc t ing t r ans i t ion t empe r a tur e s for the c rys t a l s . The c rys t a l s in each growth had various supe r conduc t ing t r ans i t ion t empe r a tur e s . Also, the me a sur ement s indi c a t ed tha t the c rys t a l s were inhomogeneous. Point cont a c t spe c t ros copy expe r iment s were employed on various single c rys t a l s . Inspe c t ion of the da t a indi c a t ed tha t the ma t e r i a l ha s a single ene rgy gap . A progr am was bui l t ut i l i z ing the Levenbe rg-Ma rqua rdt me thod and theory on point cont a c t spe c t ros copy to de t e rmine the supe r conduc t ing ene rgy gap. Plot s of the supe r conduc t ing ene rgy gap a t various t empe r a tur e s were in di s agr e ement wi th wha t was expe c t ed for a convent iona l supe r conduc tor .

Infrared Spectroscopy of Gadolinium

Measurements of the optical reflectivity of the normal incident light along c-axis [0001] have been made on a Gadolinium single crystal, for temperatures between 50 K and room temperature just above the Curie temperature of Gd, which is 293 K. And covering the spectrum range between 100 -11000 cm-I . This work is the first study of Gd in the far infrared range. In fact it fills the gap below 0.2 eV which has never been measured before. Extreme attention was paid to the fact that Gadolinium is a very reactive metal with air. Thus, the sample was mechanically polished and carefully handled during the measurement. However, temperature dependent optical measurements have been made in the same frequency range for a sample of Gd2O3. For comparison, both samples of Gd and Gd2O3 were examined by X-Ray diffraction. XRD analysis showed that the sample was pure gadolinium and the oxide layer either does not exist, or is very thin. Furthermore, this fact was supported by the absence of any of Gd2O3 features in the Gd sample reflectivity. Kramers Kronig analysis was applied to extract the optical functions from the reflectance data. The optical conductivity shows a strong temperature dependence feature in the mid-infrared. This feature disappears completely at room temperature which supports a magnetic origin.

Transient and Pulsed Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy on Type I Photosynthetic Reaction Centers

Two time-resolved EPR techniques, have been used to study the light induced electron transfer(ET) in Type I photosynthetic reaction centers(RCs). First, pulsed EPR was used to compare PsaA-M688H and PsaB-M668H mutants of Chlamydomonas reinhardtii and Synechosystis sp. PCC 6803.The out-of-phase echo modulation curves combined with other EPR and optical data show that the effect of the mutations is species dependent. Second, transient and pulsed EPR data are presented which show that PsaA-A660N and PsaB-A640N mutations in C. reinhardtii alter the relative quantum yield of ET in the A- and B-branches of PS I. Third, transient EPR studies on RCs from Heliobacillus mobilis that have been exposed to oxygen show partial inhibition of ET. In the RCs in which ET still occurs, the ET kinetics and EPR spectra show evidence of oxidation of some but not all of the, BChl g and BChl g' to Chl a.

The Fast Regulation of Photosynthesis in Diatoms: an inquiry into the physiological and physical origins of non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching.

Diatoms are renowned for their robust ability to perform NPQ (Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence) as a dissipative response to heightened light stress on photosystem II, plausibly explaining their dominance over other algal groups in turbulent light environs. Their NPQ mechanism has been principally attributed to a xanthophyll cycle involving the lumenal pH regulated reversible de-epoxidation of diadinoxanthin. The principal goal of this dissertation is to reveal the physiological and physical origins and consequences of the NPQ response in diatoms during short-term transitions to excessive irradiation. The investigation involves diatom species from different originating light environs to highlight the diversity of diatom NPQ and to facilitate the detection of core mechanisms common among the diatoms as a group. A chiefly spectroscopic approach was used to investigate NPQ in diatom cells. Prime methodologies include: the real time monitoring of PSII excitation and de-excitation pathways via PAM fluorometry and pigment interconversion via transient absorbance measurements, the collection of cryogenic absorbance spectra to measure pigment energy levels, and the collection of cryogenic fluorescence spectra and room temperature picosecond time resolved fluorescence decay spectra to study excitation energy transfer and dissipation. Chemical inhibitors that target the trans-thylakoid pH gradient, the enzyme responsible for diadinoxanthin de-epoxidation, and photosynthetic electron flow were additionally used to experimentally manipulate the NPQ response. Multifaceted analyses of the NPQ responses from two previously un-photosynthetically characterised species, Nitzschia curvilineata and Navicula sp., were used to identify an excitation pressure relief ‘strategy’ for each species. Three key areas of NPQ were examined: (i) the NPQ activation/deactivation processes, (ii) how NPQ affects the collection, dissipation, and usage of absorbed light energy, and (iii) the interdependence of NPQ and photosynthetic electron flow. It was found that Nitzschia cells regulate excitation pressure via performing a high amplitude, reversible antenna based quenching which is dependent on the de-epoxidation of diadinoxanthin. In Navicula cells excitation pressure could be effectively regulated solely within the PSII reaction centre, whilst antenna based, diadinoxanthin de-epoxidation dependent quenching was implicated to be used as a supplemental, long-lasting source of excitation energy dissipation. These strategies for excitation balance were discussed in the context of resource partitioning under these species’ originating light climates. A more detailed investigation of the NPQ response in Nitzschia was used to develop a comprehensive model describing the mechanism for antenna centred non-photochemical quenching in this species. The experimental evidence was strongly supportive of a mechanism whereby: an acidic lumen triggers the diadinoxanthin de-epoxidation and protonation mediated aggregation of light harvesting complexes leading to the formation of quencher chlorophyll a-chlorophyll a dimers with short-lived excited states; quenching relaxes when a rise in lumen pH triggers the dispersal of light harvesting complex aggregates via deprotonation events and the input of diadinoxanthin. This model may also be applicable for describing antenna based NPQ in other diatom species.

Electron Transfer Involving the Phylloquinone (A1) Cofactor of Photosystem I Examined with Time Resolved Absorbance and Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy

The dependence of the electron transfer (ET) rate on the Photosystem I (PSI) cofactor phylloquinone (A1) is studied by time-resolved absorbance and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Two active branches (A and B) of electron transfer converge to the FX cofactor from the A1A and A1B quinone. The work described in Chapter 5 investigates the single hydrogen bond from the amino acid residue PsaA-L722 backbone nitrogen to A1A for its effect on the electron transfer rate to FX. Room temperature transient EPR measurements show an increase in the rate for the A1A- to FX for the PsaA-L722T mutant and an increased hyperfine coupling to the 2-methyl group of A1A when compared to wild type. The Arrhenius plot of the A1A- to FX ET in the PsaA-L722T mutant suggests that the increased rate is probably the result of a slight change in the electronic coupling between A1A- and FX. The reasons for the non-Arrhenius behavior are discussed. The work discussed in Chapter 6 investigates the directionality of ET at low temperature by blocking ET to the iron-sulfur clusters FX, FA and FB in the menB deletion mutant strain of Synechocyctis sp. PCC 6803, which is unable to synthesize phylloquinone, by incorporating the high midpoint potential (49 mV vs SHE) 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone (Cl2NQ) into the A1A and A1B binding sites. Various EPR spectroscopic techniques were implemented to differentiate between the spectral features created from A and B- branch electron transfer. The implications of this result for the directionality of electron transfer in PS I are discussed. The work discussed in Chapter 7 was done to study the dependence of the heterogeneous ET at low temperature on A1 midpoint potential. The menB PSI mutant contains plastiquinone-9 in the A1 binding site. The solution midpoint potential of the quinone measures 100 mV more positive then wild-type phylloquinone. The irreversible ET to the terminal acceptors FA and FB at low temperature is not controlled by the forward step from A1 to FX as expected due to the thermodynamic differences of the A1 cofactor in the two active branches A and B. Alternatives for the ET heterogeneity are discussed.

Investigating Microbial Trace-fossils and Abiotic Alteration in Hydrovolcanic Tuffs of the Fort Rock Volcanic Field, Oregon

Microbial ichnofossils in volcanic rocks provide a significant record of subsurface microbes and potentially extraterrestrial biosignatures. Here, the textures, mineralogy, and geochemistry of two continental basaltic hydrovolcanic deposits - Reed Rocks and Black Hills - in the Fort Rock Volcanic Field (FRVF) are investigated. Methods include petrographic microscopy, micro and powder X-ray diffraction, SEM/BSE/EDF imaging, energy dispersive spectroscopy, stable isotopes, and X-ray fluorescence. Petrographic analysis revealed granular and tubular textures with biogenic morphologies that include terminal enlargements, septate divisions, branching forms, spiral filaments, and ovoid bodies resembling endolithic microborings described in ocean basalts. They display evidence of behaviour and a geologic context expressing their relative age and syngenicity. Differences in abiotic alteration and the abundance/morphotype assemblage of putative microborings between the sites indicate that water/rock ratio, fluid composition and flux, temperature and secondary phase formation are influences on microboring formation. This study is the first report of reputed endolithic microborings in basalts erupted in a continental lacustrine setting.

Développement d'une méthode de marquage protéique par fluorescence

Le marquage protéique par fluorescence est une méthode de choix permettant d’étudier l’évolution des protéines depuis leur synthèse cellulaire jusqu’à leur dégradation, en plus de rendre possible leur localisation ainsi que la visualisation des interactions entre protéines. De cet intérêt certain ont découlé différentes techniques de marquage, dont celle présentement développée dans le groupe Keillor. Le principe de celle-ci repose sur la réaction entre deux maléimides portés par un fluorogène et une séquence peptidique cible, laquelle contient deux résidus cystéines séparés par une distance appropriée. Suite à cette double addition de thiols du peptide sur les maléimides du fluorogène, la fluorescence latente de ce dernier est régénérée, menant au marquage covalent de la protéine d’intérêt. Afin d’optimiser la spécificité et la sensibilité de cette méthode de marquage, la synthèse de nouveaux fluorogènes et l’étude de l’efficacité de quench de la fluorescence par les maléimides est présentement en cours dans les laboratoires du groupe Keillor.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Monocouches peptidiques auto-assemblées et applications dans le domaine des biocapteurs de résonance de plasmon de surfaces

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl.