Étude structure/fonction des cotransporteurs Na+/glucose

Cette thèse porte sur l’étude de la relation entre la structure et la fonction chez les cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs). Les SGLTs sont des protéines membranaires qui se servent du gradient électrochimique transmembranaire du Na+ afin d’accumuler leurs substrats dans la cellule. Une mise en contexte présentera d’abord un bref résumé des connaissances actuelles dans le domaine, suivi par un survol des différentes techniques expérimentales utilisées dans le cadre de mes travaux. Ces travaux peuvent être divisés en trois projets. Un premier projet a porté sur les bases structurelles de la perméation de l’eau au travers des SGLTs. En utilisant à la fois des techniques de modélisation moléculaire, mais aussi la volumétrie en voltage imposé, nous avons identifié les bases structurelles de cette perméation. Ainsi, nous avons pu identifier in silico la présence d’une voie de perméation passive à l’eau traversant le cotransporteur, pour ensuite corroborer ces résultats à l’aide de mesures faites sur le cotransporteur Na/glucose humain (hSGLT1) exprimé dans les ovocytes. Un second projet a permis d’élucider certaines caractéristiques structurelles de hSGLT1 de par l’utilisation de la dipicrylamine (DPA), un accepteur de fluorescence dont la répartition dans la membrane lipidique dépend du potentiel membranaire. L’utilisation de la DPA, conjuguée aux techniques de fluorescence en voltage imposé et de FRET (fluorescence resonance energy transfer), a permis de démontrer la position extracellulaire d’une partie de la boucle 12-13 et le fait que hSGLT1 forme des dimères dont les sous-unités sont unies par un pont disulfure. Un dernier projet a eu pour but de caractériser les courants stationnaires et pré-stationaires d’un membre de la famille des SGLTs, soit le cotransporteur Na+/myo-inositol humain hSMIT2 afin de proposer un modèle cinétique qui décrit son fonctionnement. Nous avons démontré que la phlorizine inhibe mal les courants préstationnaires suite à une dépolarisation, et la présence de courants de fuite qui varient en fonction du temps, du potentiel membranaire et des substrats. Un algorithme de recuit simulé a été mis au point afin de permettre la détermination objective de la connectivité et des différents paramètres associés à la modélisation cinétique.

Anestésicos locais: interação com membranas biológicas e com o canal de sódio voltagem-dependente

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sistemas bioinspirados aplicados no estudo de interação e sensoriamento de derivados xantênicos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Perfil lipídico da membrana citoplasmática de espermatozoides in natura e criopreservados de jumentos e cavalos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo sobre a redução do estresse oxidativo em sêmen equino a partir da adição de quercetina nos diluentes de refrigeração e congelação

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estudo sobre a redução do estresse oxidativo em sêmen equino a partir da adição de quercetina nos diluentes de refrigeração e congelação

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Extensive structural change of the envelope protein of dengue virus induced by a tuned ionic strength: conformational and energetic analyses

The Dengue has become a global public health threat, with over 100 million infections annually; to date there is no specific vaccine or any antiviral drug. The structures of the envelope (E) proteins of the four known serotype of the dengue virus (DENV) are already known, but there are insufficient molecular details of their structural behavior in solution in the distinct environmental conditions in which the DENVs are submitted, from the digestive tract of the mosquito up to its replication inside the host cell. Such detailed knowledge becomes important because of the multifunctional character of the E protein: it mediates the early events in cell entry, via receptor endocytosis and, as a class II protein, participates determinately in the process of membrane fusion. The proposed infection mechanism asserts that once in the endosome, at low pH, the E homodimers dissociate and insert into the endosomal lipid membrane, after an extensive conformational change, mainly on the relative arrangement of its three domains. In this work we employ all-atom explicit solvent Molecular Dynamics simulations to specify the thermodynamic conditions in that the E proteins are induced to experience extensive structural changes, such as during the process of reducing pH. We study the structural behavior of the E protein monomer at acid pH solution of distinct ionic strength. Extensive simulations are carried out with all the histidine residues in its full protonated form at four distinct ionic strengths. The results are analyzed in detail from structural and energetic perspectives, and the virtual protein movements are described by means of the principal component analyses. As the main result, we found that at acid pH and physiological ionic strength, the E protein suffers a major structural change; for lower or higher ionic strengths, the crystal structure is essentially maintained along of all extensive simulations. On the other hand, at basic pH, when all histidine residues are in the unprotonated form, the protein structure is very stable for ionic strengths ranging from 0 to 225 mM. Therefore, our findings support the hypothesis that the histidines constitute the hot points that induce configurational changes of E protein in acid pH, and give extra motivation to the development of new ideas for antivirus compound design.

Electrochemical sensing strategies for the detection of interactions between biological macromolecules

Electrochemical biosensors provide an attractive means to analyze the content of a biological sample due to the direct conversion of a biological event to an electronic signal, enabling the development of cheap, small, portable and simple devices, that allow multiplex and real-time detection. At the same time nanobiotechnology is drastically revolutionizing the biosensors development and different transduction strategies exploit concepts developed in these field to simplify the analysis operations for operators and end users, offering higher specificity, higher sensitivity, higher operational stability, integrated sample treatments and shorter analysis time. The aim of this PhD work has been the application of nanobiotechnological strategies to electrochemical biosensors for the detection of biological macromolecules. Specifically, one project was focused on the application of a DNA nanotechnology called hybridization chain reaction (HCR), to amplify the hybridization signal in an electrochemical DNA biosensor. Another project on which the research activity was focused concerns the development of an electrochemical biosensor based on a biological model membrane anchored to a solid surface (tBLM), for the recognition of interactions between the lipid membrane and different types of target molecules.

Hybrid portable systems for bio-nanosensors

The promising development in the routine nanofabrication and the increasing knowledge of the working principles of new classes of highly sensitive, label-free and possibly cost-effective bio-nanosensors for the detection of molecules in liquid environment, has rapidly increased the possibility to develop portable sensor devices that could have a great impact on many application fields, such as health-care, environment and food production, thanks to the intrinsic ability of these biosensors to detect, monitor and study events at the nanoscale. Moreover, there is a growing demand for low-cost, compact readout structures able to perform accurate preliminary tests on biosensors and/or to perform routine tests with respect to experimental conditions avoiding skilled personnel and bulky laboratory instruments. This thesis focuses on analysing, designing and testing novel implementation of bio-nanosensors in layered hybrid systems where microfluidic devices and microelectronic systems are fused in compact printed circuit board (PCB) technology. In particular the manuscript presents hybrid systems in two validating cases using nanopore and nanowire technology, demonstrating new features not covered by state of the art technologies and based on the use of two custom integrated circuits (ICs). As far as the nanopores interface system is concerned, an automatic setup has been developed for the concurrent formation of bilayer lipid membranes combined with a custom parallel readout electronic system creating a complete portable platform for nanopores or ion channels studies. On the other hand, referring to the nanowire readout hybrid interface, two systems enabling to perform parallel, real-time, complex impedance measurements based on lock-in technique, as well as impedance spectroscopy measurements have been developed. This feature enable to experimentally investigate the possibility to enrich informations on the bio-nanosensors concurrently acquiring impedance magnitude and phase thus investigating capacitive contributions of bioanalytical interactions on biosensor surface.

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Peptide transporter DtpA has two alternate conformations, one of which is promoted by inhibitor binding

Peptide transporters (PTRs) of the large PTR family facilitate the uptake of di- and tripeptides to provide cells with amino acids for protein synthesis and for metabolic intermediates. Although several PTRs have been structurally and functionally characterized, how drugs modulate peptide transport remains unclear. To obtain insight into this mechanism, we characterize inhibitor binding to the Escherichia coli PTR dipeptide and tripeptide permease A (DtpA), which shows substrate specificities similar to its human homolog hPEPT1. After demonstrating that Lys[Z-NO2]-Val, the strongest inhibitor of hPEPT1, also acts as a high-affinity inhibitor for DtpA, we used single-molecule force spectroscopy to localize the structural segments stabilizing the peptide transporter and investigated which of these structural segments change stability upon inhibitor binding. This characterization was done with DtpA embedded in the lipid membrane and exposed to physiologically relevant conditions. In the unbound state, DtpA adopts two main alternate conformations in which transmembrane α-helix (TMH) 2 is either stabilized (in ∼43% of DtpA molecules) or not (in ∼57% of DtpA molecules). The two conformations are understood to represent the inward- and outward-facing conformational states of the transporter. With increasing inhibitor concentration, the conformation characterized by a stabilized TMH 2 becomes increasingly prevalent, reaching ∼92% at saturation. Our measurements further suggest that Lys[Z-NO2]-Val interacts with discrete residues in TMH 2 that are important for ligand binding and substrate affinity. These interactions in turn stabilize TMH 2, thereby promoting the inhibited conformation of DtpA.

Electrical currents associated with nucleotide transport by the reconstituted mitochondrial ADP/ATP carrier.

The electrophoretic export of ATP against the import of ADP in mitochondria bridges the intra- versus extramitochondrial ATP potential gap. Here we report that the electrical nature of the ADP/ATP exchange by the mitochondrial ADP/ATP carrier (AAC) can be directly studied by measuring the electrical currents via capacitive coupling of AAC-containing vesicles on a planar lipid membrane. The currents were induced by the rapid liberation of ATP or ADP with UV flash photolysis from caged nucleotides. Six different transport modes of the AAC were studied: heteroexchange with either ADP or ATP inside the vesicles, initiated by photolysis of caged ATP or ADP; homoexchange with ADPex/ADPin or ATPex/ATPin; and caged ADP or ATP with unloaded vesicles. The heteroexchange produced the largest currents with the longest duration in line with the electrical charge difference ATP4- versus ADP3-. Surprisingly, also in the homoexchange and with unloaded vesicles, small currents were measured with shorter duration. In all three modes with caged ATP, a negative charge moved into the vesicles and with caged ADP it moved out of the vesicles. All currents were completely inhibited by a mixture of the inhibitors of the AAC, carboxyatractyloside and hongkrekate, which proves that the currents are exclusively due to AAC function. The observed charge movements in the heteroexchange system agree with the prediction from transport studies in mitochondria and reconstituted vesicles. The unexpected charge movements in the homoexchange or unloaded systems are interpreted to reveal transmembrane rearrangements of charged sites in the AAC when occupied with ADP or ATP. The results also indicate that not only ATP4- but also ADP3- contribute, albeit in opposite direction, to the electrical nature of the ADP/ATP exchange, which is at variance with former conclusions from biochemical transport studies. These measurements open up new avenues of studying the electrical interactions of ADP and ATP with the AAC.

Organic synthesis and fungicidal activity of oxylipin-based compounds

Previous research has shown that the naturally occurring reactive electrophilic species (RES), 12-oxophytodienoic acid (OPDA), not only serves as a precursor for jasmonic acid but is also a potent antifungal compound. However, both the low amount present in plants and the multistep synthesis required to produce this compound on a scale viable for agrochemical use currently limits its practical value. The aim of this research was to generate a range of molecular mimics of OPDA with a minimum number of synthetic steps and screen for antifungal activity. Synthetic 4-octyl-cyclopentenone containing the cyclopentenone ring and an eight carbon alkyl chain was found to show the highest in vitro antifungal activity against C. herbarum and B. cinerea with minimum inhibition concentration (MIC) of 100-200µM. This indicates that structurally simplified 4-octyl-cyclopentenone can be successfully synthesised to mimic the antifungal activity of OPDA against specific fungal strains. Application of 4-octyl-cyclopentenone could act as surfactant by disrupting and disorganising the lipid membrane non-specifically, resulting in the leakage of potassium ions, which was the proposed mode of action of this compound. However, the sensitivity of fungi to this compound is not correlated to the lipid composition of fungal spores. (E)-2-alkenals were also studied for their antimicrobial activity and (E)-2-undecenal was found to have the highest antimicrobial activity against a range of pathogens. The hydrophilic moiety (the a,ß-unsaturated carbonyl group), common to both (E)-2-undecenal and 4-octyl-cyclentenone is essential to their bioactivity, and the hydrophobic moiety plays an important role in their antimicrobial activities. 4-Octyl-cyclopentenone showed no visible toxicity to the test plant, Arabidopsis thaliana, suggesting that its high antifungal activity against Botrytis and Cladosporium could be exploited for commercialisation as a new generation of agrochemical.

Channel-forming activity of syringopeptin 25 A in mercury-supported phospholipid monolayers and negatively charged bilayers

Interactions of the cationic lipodepsipeptide syringopeptin 25 A (SP25A) with mercury-supported dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), dioleoylphosphatidylserine (DOPS) and dioeleoylphosphatidic acid (DOPA) self-assembled monolayers (SAMs) were investigated by AC voltammetry in 0.1 M KCl at pH 3, 5.4 and 6.8. SP25A targets and penetrates the DOPS SAM much more effectively than the other SAMs not only at pH 6.8, where the DOPS SAM is negatively charged, but also at pH 3, where it is positively charged just as SP25A. Similar investigations at tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) consisting of a thiolipid called DPTL anchored to mercury, with a DOPS, DOPA or DOPC distal monolayer on top of it, showed that, at physiological transmembrane potentials, SP25A forms ion channels spanning the tBLM only if DOPS is the distal monolayer. The distinguishing chemical feature of the DOPS SAM is the ionic interaction between the protonated amino group of a DOPS molecule and the carboxylate group of an adjacent phospholipid molecule. Under the reasonable assumption that SP25A preferentially interacts with this ion pair, the selective lipodepsipeptide antimicrobial activity against Gram-positive bacteria may be tentatively explained by its affinity for similar protonated amino-carboxylate pairs, which are expected to be present in the peptide moieties of peptidoglycan strands.

On the admittance of lipid bilayer membranes: Part I. Membrane-permeable ions

The modular formalism of Rangarajan [J. Electroanal. Chem., 55 (1974) 297] has been applied to the admittance of lipid bilayer membranes. The method leads to equations which clearly show the interrelations between the various partial processes involved in ion transport, and which allow examination of model assumptions without the need for a complete rederivation of the membrane admittance. Explicit expressions are given for both the continuum and single jump models. The former includes the ionic displacement component, important mostly at high frequencies.