Elucidation of a mechanism of cell lysis by chorhexidine : a biophysical approach

Chlorhexidine is an effective antiseptic used widely in disinfecting products (hand soap), oral products (mouthwash), and is known to have potential applications in the textile industry. Chlorhexidine has been studied extensively through a biological and biochemical lens, showing evidence that it attacks the semipermeable membrane in bacterial cells. Although extremely lethal to bacterial cells, the present understanding of the exact mode of action of chlorhexidine is incomplete. A biophysical approach has been taken to investigate the potential location of chlorhexidine in the lipid bilayer. Deuterium nuclear magnetic resonance was used to characterize the molecular arrangement of mixed phospholipid/drug formulations. Powder spectra were analyzed using the de-Pake-ing technique, a method capable of extracting both the orientation distribution and the anisotropy distribution functions simultaneously. The results from samples of protonated phospholipids mixed with deuterium-labelled chlorhexidine are compared to those from samples of deuterated phospholipids and protonated chlorhexidine to determine its location in the lipid bilayer. A series of neutron scattering experiments were also conducted to study the biophysical interaction of chlorhexidine with a model phospholipid membrane of DMPC, a common saturated lipid found in bacterial cell membranes. The results found the hexamethylene linker to be located at the depth of the glycerol/phosphate region of the lipid bilayer. As drug concentration was increased in samples, a dramatic decrease in bilayer thickness was observed. Differential scanning calorimetry experiments have revealed a depression of the DMPC bilayer gel-to-lamellar phase transition temperature with an increasing drug concentration. The enthalpy of the transition remained the same for all drug concentrations, indicating a strictly drug/headgroup interaction, thus supporting the proposed location of chlorhexidine. In combination, these results lead to the hypothesis that the drug is folded approximately in half on its hexamethylene linker, with the hydrophobic linker at the depth of the glycerol/phosphate region of the lipid bilayer and the hydrophilic chlorophenyl groups located at the lipid headgroup. This arrangement seems to suggest that the drug molecule acts as a wedge to disrupt the bilayer. In vivo, this should make the cell membrane leaky, which is in agreement with a wide range of bacteriological observations.

Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

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.

Optimisation et évaluation d’un nouveau test PAMPA amélioré pour la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments.

Ce mémoire rapporte l’optimisation et l’évaluation d’une nouvelle version du test PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) appelée Néo-PAMPA. Ce test qui permet la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments consiste en l’utilisation d’une membrane modèle de la paroi intestinale composée d’une bicouche lipidique déposée sur un coussin de polydopamine recouvrant un filtre poreux. En effet, nous nous sommes intéressés lors de ce projet à la mise en place d’une membrane artificielle qui serait plus représentative de la paroi intestinale humaine. Nous avons pu déterminer, suite à une étude comparative des propriétés de huit médicaments ainsi que les coefficients de perméabilité obtenus, que les filtres en polycarbonate présentaient le meilleur choix de support solide pour la membrane. Nous avons également vérifié la déposition du coussin de polydopamine qui apporte le caractère fluide à la bicouche lipidique. Les résultats des tests de perméabilité ont démontré que le coussin de polymère n’obstrue pas les pores du filtre après un dépôt de 4h. Nous avons par la suite étudié la déposition de la bicouche lipidique sur le filtre recouvert de polydopamine. Pour ce faire, deux méthodes de préparation de liposomes ainsi que plusieurs tailles de liposomes ont été testées. Aussi, la composition en phospholipides a été sujette à plusieurs changements. Tous ces travaux d’optimisation ont permis d’aboutir à des liposomes préparés selon la méthode du « film lipidique » à partir d’un mélange de dioléoylphosphatidylcholine (DOPC) et de cholestérol. Une dernière étape d’optimisation de la déposition de la bicouche reste à améliorer. Enfin, le test standard Caco-2, qui consiste à évaluer la perméabilité des médicaments à travers une monocouche de cellules cancéreuses du colon humain, a été implémenté avec succès dans le but de comparer des données de perméabilité avec un test de référence.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Plant roots release phospholipid surfactants that modify the physical and chemical properties of soil

Plant root mucilages contain powerful surfactants that will alter the interaction of soil solids with water and ions, and the rates of microbial processes. The lipid composition of maize, lupin and wheat root mucilages was analysed by thin layer chromatography and gas chromatography-mass spectrometry. A commercially available phosphatidylcholine (lecithin), chemically similar to the phospholipid surfactants identified in the mucilages, was then used to evaluate its effects on selected soil properties. The lipids found in the mucilages were principally phosphatidylcholines, composed mainly of saturated fatty acids, in contrast to the lipids extracted from root tissues. In soil at low tension, lecithin reduced the water content at any particular tension by as much as 10 and 50% in soil and acid-washed sand, respectively. Lecithin decreased the amount of phosphate adsorption in soil and increased the phosphate concentration in solution by 10%. The surfactant also reduced net rates of ammonium consumption and nitrate production in soil. These experiments provide the first evidence we are aware of that plant-released surfactants will significantly modify the biophysical environment of the rhizosphere.

Experimental evidence for a partially dissociated water bilayer on Ru{0001}

Core-level photoelectron spectra, in excellent agreement with ab initio calculations, confirm that the stable wetting layer of water on Ru{0001} contains O-H and H2O in roughly 3:5 proportion, for OHx coverages between 0.25 and 0.7 ML, and T<170 K. Proton disorder explains why the wetting structure looks to low energy electron diffraction (LEED) to be an ordered p(root3xroot3)R30degrees adlayer, even though approximate to3/8 of its molecules are dissociated. Complete dissociation to atomic oxygen starts near 190 K. Low photon flux in the synchrotron experiments ensured that the diagnosis of the nature of the wetting structure quantified by LEED is free of beam-induced damage.

Direct visualisation of lipid bilayer cubic phases using Atomic Force Microscopy

Inverse bicontinuous cubic (Q(II)) phases are nanostructured materials formed by lipid self-assembly. We have successfully imaged thin films of hydrated Q(II) phases from two different systems using AFM. The images show periodic arrays of water channels with spacing and symmetry consistent with published SAXS data on the bulk materials.

Reaction of a phospholipid monolayer with gas-phase ozone at the air-water interface: measurement of surface excess and surface pressure in real time

The reaction between gas-phase ozone and monolayers of the unsaturated lipid 1-palmitoy1-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, POPC, on aqueous solutions has been studied in real time using neutron reflection and surface pressure measurements. The reaction between ozone and lung surfactant, which contains POPC, leads to decreased pulmonary function, but little is known shout the changes that occur to the interfacial material as a result of oxidation. The results reveal that the initial reaction of ozone with POPC leads to a rapid increase in surface pressure followed by a slow decrease to very low values. The neutron reflection measurements, performed on an isotopologue of POPC with a selectively deuterated palmitoyl strand, reveal that the reaction leads to loss of this strand from the air-water interface. suggesting either solubilization of the product lipid or degradation of the palmitoyl strand by a reactive species. Reactions of H-1-POPC on D2O reveal that the headgroup region of the lipids in aqueous solution is not dramatically perturbed by the reaction of POPC monolayers with ozone supporting degradation of the palmitoyl strand rather than solubilization. The results are consistent with the reaction of ozone with the oleoyl strand of POPC at the air water interface leading to the formation of OH radicals. the highly reactive OH radicals produced can then go on to react with the saturated palmitoyl strands leading to the formation or oxidized lipids with shorter alkyl tails.

The role of protein hydrophobicity in thionin–phospholipid interactions: a comparison of α1 and α2-purothionin adsorbed anionic phospholipid monolayers

The plant defence proteins α1- and α2-purothionin (Pth) are type 1 thionins from common wheat (Triticum aestivum). These highly homologous proteins possess characteristics common amongst antimicrobial peptides and proteins, that is, cationic charge, amphiphilicity and hydrophobicity. Both α1- and α2-Pth possess the same net charge, but differ in relative hydrophobicity as determined by C18 reversed phase HPLC. Brewster angle microscopy, X-ray and neutron reflectometry, external reflection FTIR and associated surface pressure measurements demonstrated that α1 and α2-Pth interact strongly with condensed phase 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phospho-(1'-rac-glycerol) (DPPG) monolayers at the air/liquid interface. Both thionins disrupted the in-plane structure of the anionic phospholipid monolayer, removing lipid during this process and both penetrated the lipid monolayer in addition to adsorbing as a single protein layer to the lipid head-group. However, analysis of the interfacial structures revealed that the α2-Pth showed faster disruption of the lipid film and removed more phospholipid (12%) from the interface than α1-Pth. Correlating the protein properties and lipid binding activity suggests that hydrophobicity plays a key role in the membrane lipid removal activity of thionins.

Hollow structures with bilayer graphene walls

The formation of three-dimensional shell-like structures with bilayer graphene walls is described. The structures are produced by the passage of an electric current through graphite in an arc-discharge apparatus. High resolution transmission electron microscopy is used to characterize the carbon, and provides evidence that the structures are three-dimensional rather than flat. A striking feature of the material is that it contains bilayer nanotubes seamlessly joined to larger shell-like regions. The possible growth mechanism of the carbon is discussed, and potential applications considered.

Phospholipid-based microemulsions suitable for use in foods

The preparation of nonaqueous microemulsions using food-acceptable components is reported. The effect of oil on the formation of microemulsions stabilized by lecithin (Epikuron 200) and containing propylene glycol as immiscible solvent was investigated. When the triglycerides were used as oil, three types of phase behavior were noted, namely, a two-phase cloudy region (occurring at low lecithin concentrations), a liquid crystalline (LC) phase (occurring at high surfactant and low oil concentrations), and a clear monophasic microemulsion region. The extent of this clear one-phase region was found to be dependent upon the molecular volume of the oil being solubilized. Large molecular volume oils, such as soybean and sunflower oils, produced a small microemulsion region, whereas the smallest molecular volume triglyceride, tributyrin, produced a large, clear monophasic region. Use of the ethyl ester, ethyl oleate, as oil produced a clear, monophasic region of a size comparable to that seen with tributyrin. Substitution of some of the propylene glycol with water greatly reduced the extent of the clear one-phase region and increased the extent of the liquid crystalline region. In contrast, ethanol enhanced the clear, monophasic region by decreasing the LC phase. Replacement of some of the lecithin with the micelle-forming nonionic surfactant Tween 80 to produce mixed lecithin/Tween 80 mixtures of weight ratios (Km) 1:2 and 1:3 did not significantly alter the phase behavior, although there was a marginal increase in the area of the two-phase, cloudy region of the phase diagram. The use of the lower phosphatidylcholine content lecithin, Epikuron 170, in place of Epikuron 200 resulted in a reduction in the LC region for all of the systems investigated. In conclusion, these studies show that it is possible to prepare one-phase, clear lecithin-based microemulsions over a wide range of compositions using components that are food-acceptable.

Investigations into the formation and characterization of phospholipid microemulsions. IV. Pseudo-ternary phase diagrams of systems containing water-lecithin-alcohol and oil; The influence of oil

Phase studies have been performed for quaternary systems composed of egg lecithin, cosurfactant, water and oil. The lecithin used was the commercially available egg lecithin Ovothin 200 (which comprises ≥ 92% phosphatidylcholine). The cosurfactants employed were propanol and butanol, and these were used at lecithin/cosurfactant mixing ratios (Km) of 1:1 and 1.94:1 (weight basis). Six polar oils were investigated, including the alkanoic acids, octanoic and oleic, their corresponding ethyl esters and the medium and long chain triglycerides, Miglyol 812 and soybean oil. All oils, irrespective of the alcohol and the Km used, gave rise to systems that produced a stable isotropic region along the surfactant/oil axis (designated as a reverse microemulsion system). In addition, the systems incorporating propanol at both Km and butanol at a Km of 1.94: 1, generally gave rise to a liquid crystalline region and, in some cases, a second isotropic non-birefingent area (designated as a normal microemulsion system). The phase behaviour observed was largely dependent upon the alcohol and Km used and the size and the polarity of the oil present.