Cancer theranostics: multifunctional gold nanoparticles for diagnostics and therapy

Doctorate in Biology, Specialty in Biotechnology

Insights into neuronal cell metabolism using NMR spectroscopy: uridyl diphosphate N-acetyl-glucosamine as a unique metabolic marker.

Making the switch: Compounds 1 and 2 are used as metabolic markers for NMR detection. When neuronal cells switch to a glycolytic state, an uneven distribution of (13) C in the N-acetyl group results, thus giving a mixture of the metabolites 1 and 2. It is therefore possible to monitor flux through different metabolic pathways, such as glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, and the hexosamine biosynthetic pathway, using a single molecule.

Control of optical fields and single photon emitters by advanced nanoantenna structures

The control of optical fields on the nanometre scale is becoming an increasingly important tool in many fields, ranging from channelling light delivery in photovoltaics and light emitting diodes to increasing the sensitivity of chemical sensors to single molecule levels. The ability to design and manipulate light fields with specific frequency and space characteristics is explored in this project. We present an alternative realisation of Extraordinary Optical Transmission (EOT) that requires only a single aperture and a coupled waveguide. We show how this waveguide-resonant EOT improves the transmissivity of single apertures. An important technique in imaging is Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM); we show how waveguide-resonant EOT and the novel probe design assist in improving the efficiency of NSOM probes by two orders of magnitude, and allow the imaging of single molecules with an optical resolution of as good as 50 nm. We show how optical antennas are fabricated into the apex of sharp tips and can be used in a near-field configuration.

Self-paced Movement Intention Detection from Human Brain Signals: Invasive and Non-invasive EEG

Neural signatures of humans' movement intention can be exploited by future neuroprosthesis. We propose a method for detecting self-paced upper limb movement intention from brain signals acquired with both invasive and noninvasive methods. In the first study with scalp electroencephalograph (EEG) signals from healthy controls, we report single trial detection of movement intention using movement related potentials (MRPs) in a frequency range between 0.1 to 1 Hz. Movement intention can be detected above chance level (p<0.05) on average 460 ms before the movement onset with low detection rate during the on-movement intention period. Using intracranial EEG (iEEG) from one epileptic subject, we detect movement intention as early as 1500 ms before movement onset with accuracy above 90% using electrodes implanted in the bilateral supplementary motor area (SMA). The coherent results obtained with non-invasive and invasive method and its generalization capabilities across different days of recording, strengthened the theory that self-paced movement intention can be detected before movement initiation for the advancement in robot-assisted neurorehabilitation.

JNK, a versatile regulator of kinesin-1 transport and cytoskeleton dynamics

C-Jun N-terminal kinase (JNK) is traditionally recognized as a crucial factor in stress response and inducer of apoptosis upon various stimulations. Three isoforms build the JNK subfamily of MAPK; generally expressed JNK1 and JNK2 and brain specific JNK3. Degenerative potency placed JNK in the spotlight as potential pharmacological option for intervention. Unfortunately, adverse effects of potential drugs and observation that expression of only JNK2 and JNK3 are induced upon stress, restrained initial enthusiasm. Notably, JNK1 demonstrated atypical high constitutive activity in neurons that is not responsive to cellular stresses and indicated existence of physiological activity. This thesis aimed at revealing the physiological functions of JNK1 in actin homeostasis through novel effector MARCKS-Like 1 (MARCKSL1) protein, neuronal trafficking mediated by major kinesin-1 motor protein and microtubule (MT) dynamics via STMN2/SCG10. The screen for novel physiological JNK substrates revealed specific phosphorylation of C-terminal end of MARCKSL1 at S120, T148 and T183 both ex vivo and in vitro. By utilizing site-specific mutagenesis, various actin dynamics and migrations assays we were able to demonstrate that JNK1 phosphorylation specifically facilitates F-actin bundling and thus filament stabilisation. Consecutively, this molecular mechanism was proved to enhance formation of filopodia; cell surface projections that allow cell sensing surrounding environment and migrate efficiently. Our results visualize JNK dependent and MARCKSL1 executed induction of filopodia in neurons and fibroblast indicating general mechanism. Subsequently, inactivation of JNK action on MARCKSL1 shifts cellular actin machinery into lamellipodial dynamic arrangement. Tuning of actin cytoskeleton inevitably melds with cell migration. We observed that both active JNK and JNK pseudo-phosphorylated form of MARCKSL1 reduce actin turnover in intact cells leading to overall diminished cell motility. We demonstrate that tumour transformed cells from breast, prostate, lung and muscle-derived cancers upregulate MARCKSL1. We showed on the example of prostate cancer PC-3 cell line that JNK phosphorylation negatively controls MARCKSL1 ability to induce migration, which precedes cancer cell metastasis. The second round of identification of JNK physiological substrates resulted in detection of predominant motor protein kinesin-1 (Kif5). Mass spectrometry detailed analysis showed evident endogenous phosphorylation of kinesin-1 on S176 within motor domain that interacts with MT. In vitro phosphorylation of bacterially expressed kinesin heavy chain by JNK isoforms displayed higher specificity of JNK1 when compared to JNK3. Since, JNK1 is constitutively active in neurons it signified physiological aspect of kinesin-1 regulation. Subsequent biochemical examination revealed that kinesin-1, when not phosphorylated on JNK site, exhibits much higher affinity toward MTs. Expression of the JNK non-phosphorable kinesin-1 mutant in intact cells as well as in vitro single molecule imaging using total internal reflection fluorescence microscopy indicated that the mutant loses normal speed and is not able to move processively into proper cellular compartments. We identify novel kinesin-1 cargo protein STMN2/SCG10, which along with known kinesin-1 cargo BDNF is showing impaired trafficking when JNK activity is inhibited. Our data postulates that constitutive JNK activity in neurons is crucial for unperturbed physiologically relevant transport of kinesin-1 dependant cargo. Additionally, my work helps to validate another novel physiological JNK1 effector STMN2/SCG10 as determinant of axodendritic neurites dynamics in the developing brain through regulation of MT turnover. We show successively that this increased MT dynamics is crucial during developmental radial migration when brain layering occurs. Successively, we are able to show that introduction of JNK phosphorylation mimicking STMN2/SCG10 S62/73D mutant rescues completely JNK1 genetic deletion migration phenotype. We prove that STMN2/SCG10 is predominant JNK effector responsible for MT depolymerising activity and neurite length during brain development. Summarizing, this work describes identification of three novel JNK substrates MARCKSL1, kinesin-1 and STMN2/SCG10 and investigation of their roles in cytoskeleton dynamics and cargo transport. This data is of high importance to understand physiological meaning of JNK activity, which might have an adverse effect during pharmaceutical intervention aiming at blocking pathological JNK action.

Molecular Magnetism: The Design, Synthesis, and Characterization of New Building Blocks for Molecule-based Magnetic Materials

Two classes of building blocks have been prepared and characterized and their coordination chemistry explored working towards the preparation of new molecule-based magnetic materials. In the first project, the amine functionality of 3,3'-diamino-2,2'- bipyridine was exploited for the preparation of a new family of ligands (H2L 1)-(H2L 4). The molecular structures of three ligands have been fully characterized by X-ray crystallography. [molecular structure diagram will not copy here, but is available in full pdf.] The coordination chemistry of these ligands with divalent first row transition metal ions was investigated. For ligand (H2L1), the molecular structures of four coordination complexes with stoichiometries [Zn2(Ll)(OAc)(MeO)]2 (I), [Cu2(L1)(OAc)2 (II), [Li(L1)]3 (III), and [Ni(L1)]3 (IV) were determined by X-ray crystallography. For ligand (H2L2), a Cu(II) complex of stoichiometry [Cu3(L2)(OAc)3MeO] (V) was determined by X-ray crystallography. The magnetic properties of complexes (II), (III), and (V) have been fully elucidated. In project two, synthetic strategies for the preparation of porphyrin molecules bearing triol substituents is presented. Following this approach, three new porphyrin derivatives have been prepared and characterized [Zn(HPTPP-CH2C(CH20H)3)] (VI), [P(TPP)(OCH2C(CH2)H)3)2]+CL- (VII), and [P(OEP)(C6H5)(OCH2C(CH2OH)3)]+Cl- (VIII). Attempts to exchange the labile methoxide bridges of a tetraironIIl single molecule magnet of stoichiometry [Fe4(OMe)6(dpm)6] (Hdpm = dipivaloylmethane) with the triol appended porphyrins will be discussed. [molecular structure diagram will not copy here, but is available in full pdf.]

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

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.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Quantification of mitochondrial DNA mutation load

Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are an important cause of genetic disease and have been proposed to play a role in the ageing process. Quantification of total mtDNA mutation load in ageing tissues is difficult as mutational events are rare in a background of wild-type molecules, and detection of individual mutated molecules is beyond the sensitivity of most sequencing based techniques. The methods currently most commonly used to document the incidence of mtDNA point mutations in ageing include post-PCR cloning, single-molecule PCR and the random mutation capture assay. The mtDNA mutation load obtained by these different techniques varies by orders of magnitude, but direct comparison of the three techniques on the same ageing human tissue has not been performed. We assess the procedures and practicalities involved in each of these three assays and discuss the results obtained by investigation of mutation loads in colonic mucosal biopsies from ten human subjects.

Quantification of mitochondrial DNA mutation load

Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are an important cause of genetic disease and have been proposed to play a role in the ageing process. Quantification of total mtDNA mutation load in ageing tissues is difficult as mutational events are rare in a background of wild-type molecules, and detection of individual mutated molecules is beyond the sensitivity of most sequencing based techniques. The methods currently most commonly used to document the incidence of mtDNA point mutations in ageing include post-PCR cloning, single-molecule PCR and the random mutation capture assay. The mtDNA mutation load obtained by these different techniques varies by orders of magnitude, but direct comparison of the three techniques on the same ageing human tissue has not been performed. We assess the procedures and practicalities involved in each of these three assays and discuss the results obtained by investigation of mutation loads in colonic mucosal biopsies from ten human subjects.

Understanding the Effect of Adsorption Geometry over Substrate Selectivity in the Surface-Enhanced Raman Scattering Spectra of Simazine and Atrazine

This paper studies the selectivity of Well-defined Au and Ag nanostructures as substrates for the SERS, (surface-enhanced Raman scattering) detection of simazine (6-chloro-N,N`-diethyl-1,3,5-triazine-2,4-diamine) and atrazine (6-chloro-N-ethyl-N`-isopropyl-1,3,5-triazine-2,4-diamine). Our data showed that simazine and atrazine displayed similar SERS spectra when the Au was employed as substrate. Conversely, distinct SERS signatures were obtained upon the utilization of Ag substrates. Density functional theory (DFT) calculations and vibrational assignments suggested that, while simazine and atrazine adsorbed on Au via the N3 position of the triazine ring, simazine adsorbed on Ag via N3 and atrazine via N5. The results presented herein demonstrated that the adsorption geometry of analyte molecules can play a central role over substrate selectivity in SERS, which is particularly important in applications involving ultrasensitive analysis of mixtures containing structurally similar molecules.

Estudo do genoma do vírus causador da mionecrose infecciosa em camarões e desenvolvimento de métodos para detecção de diferentes variantes

Shrimp farming is one of the activities that contribute most to the growth of global aquaculture. However, this business has undergone significant economic losses due to the onset of viral diseases such as Infectious Myonecrosis (IMN). The IMN is already widespread throughout Northeastern Brazil and affects other countries such as Indonesia, Thailand and China. The main symptom of disease is myonecrosis, which consists of necrosis of striated muscles of the abdomen and cephalothorax of shrimp. The IMN is caused by infectious myonecrosis virus (IMNV), a non-enveloped virus which has protrusions along its capsid. The viral genome consists of a single molecule of double-stranded RNA and has two Open Reading Frames (ORFs). The ORF1 encodes the major capsid protein (MCP) and a potential RNA binding protein (RBP). ORF2 encodes a probable RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) and classifies IMNV in Totiviridae family. Thus, the objective of this research was study the IMNV complete genome and encoded proteins in order to develop a system differentiate virus isolates based on polymorphisms presence. The phylogenetic relationship among some totivirus was investigated and showed a new group to IMNV within Totiviridae family. Two new genomes were sequenced, analyzed and compared to two other genomes already deposited in GenBank. The new genomes were more similar to each other than those already described. Conserved and variable regions of the genome were identified through similarity graphs and alignments using the four IMNV sequences. This analyze allowed mapping of polymorphic sites and revealed that the most variable region of the genome is in the first half of ORF1, which coincides with the regions that possibly encode the viral protrusion, while the most stable regions of the genome were found in conserved domains of proteins that interact with RNA. Moreover, secondary structures were predicted for all proteins using various softwares and protein structural models were calculated using threading and ab initio modeling approaches. From these analyses was possible to observe that the IMNV proteins have motifs and shapes similar to proteins of other totiviruses and new possible protein functions have been proposed. The genome and proteins study was essential for development of a PCR-based detection system able to discriminate the four IMNV isolates based on the presence of polymorphic sites

Vibrational spectroscopy for probing molecular-level interactions in organic films mimicking biointerfaces

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

Design and Characterization of New Luminescent Sensors and Labels

The aim of this Ph.D. project has been the design and characterization of new and more efficient luminescent tools, in particular sensors and labels, for analytical chemistry, medical diagnostics and imaging. Actually both the increasing temporal and spatial resolutions that are demanded by those branches, coupled to a sensitivity that is required to reach the single molecule resolution, can be provided by the wide range of techniques based on luminescence spectroscopy. As far as the development of new chemical sensors is concerned, as chemists we were interested in the preparation of new, efficient, sensing materials. In this context, we kept developing new molecular chemosensors, by exploiting the supramolecular approach, for different classes of analytes. In particular we studied a family of luminescent tetrapodal-hosts based on aminopyridinium units with pyrenyl groups for the detection of anions. These systems exhibited noticeable changes in the photophysical properties, depending on the nature of the anion; in particular, addition of chloride resulted in a conformational change, giving an initial increase in excimeric emission. A good selectivity for dicarboxylic acid was also found. In the search for higher sensitivities, we moved our attention also to systems able to perform amplification effects. In this context we described the metal ion binding properties of three photoactive poly-(arylene ethynylene) co-polymers with different complexing units and we highlighted, for one of them, a ten-fold amplification of the response in case of addition of Zn2+, Cu2+ and Hg2+ ions. In addition, we were able to demonstrate the formation of complexes with Yb3+ an Er3+ and an efficient sensitization of their typical metal centered NIR emission upon excitation of the polymer structure, this feature being of particular interest for their possible applications in optical imaging and in optical amplification for telecommunication purposes. An amplification effect was also observed during this research in silica nanoparticles derivatized with a suitable zinc probe. In this case we were able to prove, for the first time, that nanoparticles can work as “off-on” chemosensors with signal amplification. Fluorescent silica nanoparticles can be thus seen as innovative multicomponent systems in which the organization of photophysically active units gives rise to fruitful collective effects. These precious effects can be exploited for biological imaging, medical diagnostic and therapeutics, as evidenced also by some results reported in this thesis. In particular, the observed amplification effect has been obtained thanks to a suitable organization of molecular probe units onto the surface of the nanoparticles. In the effort of reaching a deeper inside in the mechanisms which lead to the final amplification effects, we also attempted to find a correlation between the synthetic route and the final organization of the active molecules in the silica network, and thus with those mutual interactions between one another which result in the emerging, collective behavior, responsible for the desired signal amplification. In this context, we firstly investigated the process of formation of silica nanoparticles doped with pyrene derivative and we showed that the dyes are not uniformly dispersed inside the silica matrix; thus, core-shell structures can be formed spontaneously in a one step synthesis. Moreover, as far as the design of new labels is concerned, we reported a new synthetic approach to obtain a class of robust, biocompatible silica core-shell nanoparticles able to show a long-term stability. Taking advantage of this new approach we also showed the synthesis and photophysical properties of core-shell NIR absorbing and emitting materials that proved to be very valuable for in-vivo imaging. In general, the dye doped silica nanoparticles prepared in the framework of this project can conjugate unique properties, such as a very high brightness, due to the possibility to include many fluorophores per nanoparticle, high stability, because of the shielding effect of the silica matrix, and, to date, no toxicity, with a simple and low-cost preparation. All these features make these nanostructures suitable to reach the low detection limits that are nowadays required for effective clinical and environmental applications, fulfilling in this way the initial expectations of this research project.