Synthesis and properties of polyelectrolyte microgel particles

A series of cationic poly(N-isopropylacrylamide/4-vinylpyridine) [poly(NIPAM/4-VP)] polyelectrolyte co-polymer microgels have been prepared by surfactant free emulsion polymerization (SFEP) with varying compositions of 4-VP and NIPAM. The compositions of 4-VP were 15, 25, 35, 45, 55 wt.% relative to NIPAM. The temperature and pH responsive swelling–deswelling properties of these microgels have been investigated using dynamic light scattering (DLS) and electrophoretic mobility measurements. DLS results have shown that the particle diameter of the poly(NIPAM/4-VP) microgels decreases with increasing concentration (wt.%) of 4-VP over the 20–60 °C temperature range due to the increased amount of hydrophobic group. The particle size of all poly(NIPAM/4-VP) microgel series increases with decreasing pH, as the 4-VP units become more protonated at low pH below the pKa (5.39) of the monomer 4-VP. Electrophoretic mobility results have shown that electrophoretic mobility increases as the temperature/pH increases at a constant background ionic strength (1 × 10− 4 mol dm− 3 NaCl). These results are in good agreement with DLS results. The temperature/pH sensitivity of these microgels depends on the ratio of NIPAM/4-VP concentration in the co-polymer microgel systems. The combined temperature/pH responsiveness of these polyelectrolyte microgels can be used in applications where changes in particle size with small change in pH or temperature is of great consequence.

Conformations, vibrational frequencies and Raman intensities of short-chain fatty acid methyl esters using DFT with 6-31G(d) and Sadlej pVTZ basis sets

Density functional calculations, using B3LPY/6-31G(d) methods, have been used to investigate the conformations and vibrational (Raman) spectra of three short-chain fatty acid methyl esters (FAMEs) with the formula CnH2nO2 (n = 3-5). In all three FAMEs, the lowest energy conformer has a simple 'all-trans' structure but there are other conformers, with different torsions about the backbone, which lie reasonably close in energy to the global minimum. One result of this is that the solid samples we studied do not appear to consist entirely of the lowest energy conformer. Indeed, to account for the 'extra' bands that were observed in the Raman data but were not predicted for the all-trans conformer, it was necessary to add-in contributions from other conformers before a complete set of vibrational assignments could be made. Provided this was done, the agreement between experimental Raman frequencies and 6-31G(d) values (after scaling) was excellent, RSD = 12.6 cm(-1). However, the agreement between predicted and observed intensities was much less satisfactory. To confirm the validity of the approach followed by the 6-3 1 G(d) basis set, we used a larger basis set, Sadlej pVTZ, and found that these calculations gave accurate Raman intensities and simulated spectra (summed from two different conformers) that were in quantitative agreement with experiment. In addition, the unscaled Sadlej pVTZ, and the scaled 6-3 1 G(d) calculations gave the same vibrational mode assignments for all bands in the experimental data. This work provides the foundation for calculations on longer-chain FAMEs (which are closer to those found as triglycerides in edible fats and oils) because it shows that scaled 6-3 1 G(d) calculations give equally accurate frequency predictions, and the same vibrational mode assignments, as the much more CPU-expensive Sadlej pVTZ basis set calculations.

Distinct CCK-2 Receptor Conformations Associated with β-Arrestin-2 Recruitment or Phospholipase-C Activation Revealed by a Biased Antagonist

Seven-transmembrane receptors (7TMRs), also termed G protein-coupled receptors (GPCRs), form the largest class of cell surface membrane receptors, involving several hundred members in the human genome. Near 30% of marketed pharmacological agents target 7TMRs. 7TMRs adopt multiple conformations upon agonist binding. Biased agonists, in contrast to non-biased agonists, are believed to stabilize conformations preferentially activating either G-protein- or ß-arrestin-dependent signalling pathways. However, proof that cognate conformations of receptors display structural differences within their binding site where biased agonism initiates, are still lacking. Here, we show that a non-biased agonist, cholecystokinin (CCK) induces conformational states of the CCK2R activating Gq-protein-dependent pathway (CCK2RG) or recruiting ß-arrestin2 (CCK2Rß) that are pharmacologically and structurally distinct. Two structurally unrelated antagonists competitively inhibited both pathways. A third ligand (GV150,013X), acted as a high affinity competitive antagonist on CCK2RG but was nearly inefficient as inhibitor of CCK2Rß. Several structural elements on both GV150,013X and in CCK2R binding cavity, which hinder binding of GV150,013X only to the CCK2Rß were identified. At last, proximity between two conserved amino acids from transmembrane helices 3 and 7 interacting through sulphur-aromatic interaction was shown to be crucial for selective stabilization of the CCK2Rß state. These data establish structural evidences for distinct conformations of a 7TMR associated with ß-arrestin-2 recruitment or G-protein coupling and validate relevance of the design of biased ligands able to selectively target each functional conformation of 7TMRs.

Polyelectrolyte nanocages via crystallized miniemulsion droplets

Polyelectrolyte nanocages were synthesized by interfacial cross-linking of monolayers of vinyl-functionalized surfactant molecules adsorbed by crystallized miniemulsion droplets. The monolayer-thick shell of these nanocages was confirmed by AFM analysis.

Assessing the Reproducibility of Clustering of Molecular Dynamics Conformations on Self-Organizing Maps

The goal of most clustering algorithms is to find the optimal number of clusters (i.e. fewest number of clusters). However, analysis of molecular conformations of biological macromolecules obtained from computer simulations may benefit from a larger array of clusters. The Self-Organizing Map (SOM) clustering method has the advantage of generating large numbers of clusters, but often gives ambiguous results. In this work, SOMs have been shown to be reproducible when the same conformational dataset is independently clustered multiple times (~100), with the help of the Cramérs V-index (C_v). The ability of C_v to determine which SOMs are reproduced is generalizable across different SOM source codes. The conformational ensembles produced from MD (molecular dynamics) and REMD (replica exchange molecular dynamics) simulations of the penta peptide Met-enkephalin (MET) and the 34 amino acid protein human Parathyroid Hormone (hPTH) were used to evaluate SOM reproducibility. The training length for the SOM has a huge impact on the reproducibility. Analysis of MET conformational data definitively determined that toroidal SOMs cluster data better than bordered maps due to the fact that toroidal maps do not have an edge effect. For the source code from MATLAB, it was determined that the learning rate function should be LINEAR with an initial learning rate factor of 0.05 and the SOM should be trained by a sequential algorithm. The trained SOMs can be used as a supervised classification for another dataset. The toroidal 10×10 hexagonal SOMs produced from the MATLAB program for hPTH conformational data produced three sets of reproducible clusters (27%, 15%, and 13% of 100 independent runs) which find similar partitionings to those of smaller 6×6 SOMs. The χ^2 values produced as part of the C_v calculation were used to locate clusters with identical conformational memberships on independently trained SOMs, even those with different dimensions. The χ^2 values could relate the different SOM partitionings to each other.

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.

Étude de la relation entre les conformations et la signalisation des 7TMRs

L’interaction d’un ligand avec un récepteur à sept domaines transmembranaires (7TMR) couplé aux protéines G, mène à l’adoption de différentes conformations par le récepteur. Ces diverses conformations pourraient expliquer l’activation différentielle des voies de signalisation. Or, le lien entre la conformation et l’activité du récepteur n’est pas tout à fait claire. Selon les modèles classiques pharmacologiques, comme le modèle du complexe ternaire, il n’existe qu’un nombre limité de conformations qu’un récepteur peut adopter. Afin d’établir un lien entre la structure et la fonction des récepteurs, nous avons choisi dans un premier temps, le récepteur de chimiokine CXCR4 comme récepteur modèle. Ce dernier, est une cible thérapeutique prometteuse, impliqué dans l’entrée du VIH-1 dans les cellules cibles et dans la dissémination de métastases cancéreuses. Grâce au transfert d’énergie par résonance de bioluminescence (BRET) nous pouvons détecter les changements conformationnels des homodimères constitutifs de CXCR4 dans les cellules vivantes. En conséquence, nous avons mesuré les conformations de mutants de CXCR4 dont les mutations affecteraient sa fonction. Nous montrons que la capacité des mutants à activer la protéine Galphai est altérée suite au traitement avec l’agoniste SDF-1. Notamment, ces mutations altèrent la conformation du récepteur à l’état basal ainsi que la réponse conformationnelle induite suite au traitement avec l’agoniste SDF-1, l’agoniste partiel AMD3100 ou l’agoniste inverse TC14012. Ainsi, différentes conformations de CXCR4 peuvent donner lieu à une activation similaire de la protéine G, ce qui implique une flexibilité des récepteurs actifs qui ne peut pas être expliquée par le modèle du complexe ternaire (Berchiche et al. 2007). Également, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CCR2, exprimé à la surface des cellules immunitaires. Il joue un rôle important dans l’inflammation et dans des pathologies inflammatoires telles que l’asthme. CCR2 forme des homodimères constitutifs et possède différents ligands naturels dont la redondance fonctionnelle a été suggérée. Nous avons étudié le lien entre les conformations et les activations d’effecteurs (fonctions) de CCR2. Notre hypothèse est que les différents ligands naturels induisent différentes conformations du récepteur menant à différentes fonctions. Nous montrons que les réponses de CCR2 aux différents ligands ne sont pas redondantes au niveau pharmacologique et que les chimiokines CCL8, CCL7 et CCL13 (MCP-2 à MCP-4) sont des agonistes partiels de CCR2, du moins dans les systèmes que nous avons étudiés. Ainsi, l’absence de redondance fonctionnelle parmi les chimiokines liant le même récepteur, ne résulterait pas de mécanismes complexes de régulation in vivo, mais ferait partie de leurs propriétés pharmacologiques intrinsèques (Berchiche et al. 2011). Enfin, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CXCR7. Récemment identifié, CXCR7 est le deuxième récepteur cible de la chimiokine SDF-1. Cette chimiokine a été considérée comme étant capable d’interagir uniquement avec le récepteur CXCR4. Notamment, CXCR4 et CXCR7 possèdent un patron d’expression semblable dans les tissus. Nous avons évalué l’effet de l’AMD3100, ligand synthétique de CXCR4, sur la conformation et la signalisation de CXCR7. Nos résultats montrent qu’AMD3100, tout comme SDF-1, lie CXCR7 et augmente la liaison de SDF-1 à CXCR7. Grâce au BRET, nous montrons aussi qu’AMD3100 seul est un agoniste de CXCR7 et qu’il est un modulateur allostérique positif de la liaison de SDF-1 à CXCR7. Aussi, nous montrons pour la première fois le recrutement de la beta-arrestine 2 à CXCR7 en réponse à un agoniste. L’AMD3100 est un ligand de CXCR4 et de CXCR7 avec des effets opposés, ce qui appelle à la prudence lors de l’utilisation de cette molécule pour l’étude des voies de signalisation impliquant SDF-1 (Kalatskaya et al. 2009). En conclusion, nos travaux amènent des évidences qu’il existe plusieurs conformations actives des récepteurs et appuient les modèles de structure-activité des récepteurs qui prennent en considération leur flexibilité conformationnelle.

Study of liquid crystalline light responsive dye-polyelectrolyte complexes

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les récepteurs 5-HT4b adoptent différentes conformations ligand-spécifique ayant des propriétés de signalisation et de régulation distinctes

Les antidépresseurs actuels sont très similaires au niveau de leur mécanisme d’action et sont plus ou moins efficaces. Un des problèmes majeurs est leur long temps de latence à fournir une action thérapeutique dû aux adaptations des sites pré et post synaptiques. Dans un modèle animal, nous avons récemment découvert que l’agoniste RS67333 des récepteurs 5-HT4 était en mesure de produire en trois jours les mêmes effets antidépresseurs qui normalement prennent de deux à trois semaines à apparaître avec les antidépresseurs actuellement disponibles. De plus, nous avons constaté que les effets antidépresseurs de cet agoniste possédaient une résistance à la tolérance. Il y a d’autres agonistes du même récepteur, tel que le prucalopride qui ne produit pas d’effets antidépresseurs comme RS67333. Étant donné que l’efficacité du Prucalopride à stimuler les 5-HT4Rs est similaire sinon plus grande que celle de RS67333, nous avons énoncé l’hypothèse que le récepteur 5-HT4 pourrait adopter différentes conformations actives suite à son activation par différents agonistes. Nous avons ainsi décidé d’explorer les principales réponses fonctionnelles des récepteurs 5-HT4B en observant leurs propriétés de régulation et de signalisation. Nous avons montré que l’isoforme B du récepteur 5-HT4, étant hautement exprimé dans le système limbique, détient une signalisation et une régulation différentes dépendant du ligand activateur. Nos résultats indiquent que chacun des agonistes testés (5-HT, RS67333, ML10302, Zacopride, Prucalopride) modulent distinctivement la production d’AMPc et l’internalisation du récepteur. Les résultats nous ont clairement permis de déterminer que les agonistes possèdent une efficacité et ou puissance différentes les uns par rapport aux autres. De plus, l’ordre d’efficacité des agonistes à moduler la voie de l’AMPc était (Prucalopride > Zacopride = ML10302 = 5-HT > RS67333) et est différente de leur ordre d’efficacité à induire la régulation du récepteur par internalisation (5-HT > Zacopride > Prucalopride > ML10302 = RS67333). Ainsi, nous avons montré que les 5-HT4Rs adoptent des conformations qui sont ligand-spécifiques. Cela implique que la sélectivité fonctionnelle serait un facteur important à considérer dans les mécanismes d’action antidépresseur des agonistes de ce récepteur.

A New Class of Nonionic Photosensitive Surfactants: Some Insights Concerning Conformations

We report on a new class of nonionic, photosensitive surfactants consisting of a polar di(ethylene oxide) head group attached to an alkyl spacer of between two and eight methylene groups, coupled through an ether linkage to an azobenzene moiety. Structural changes associated with the interconversion of the azobenzene group between its cis and trans forms as mediated by the wavelength of an irradiating light source cause changes in the surface tension and self-assembly properties. Differences in saturated surface tensions (surface tension at concentrations above the CMC) were as high as 14.4 mN/m under radiation of different wavelengths. The qualitative behavior of the surfactants changed as the spacer length changed, attributed to the different orientations adopted by the different surfactants depending on their isomerization states, as revealed by neutron reflection studies. The self-assembly of these photosensitive surfactants has been investigated by light scattering, small angle neutron scattering, and cryo-TEM under different illuminations. The significant change in the self-assembly in response to different illumination conditions was attributed to the sign change in Gaussian rigidity, which originated from the azobenzene photoisomerization.

Conformations of poly{G}-poly{C} π stacks with high hole mobility

Charge transfer properties of DNA depend strongly on the π stack conformation. In the present paper, we identify conformations of homogeneous poly-{G}-poly-{C} stacks that should exhibit high charge mobility. Two different computational approaches were applied. First, we calculated the electronic coupling squared, V2, between adjacent base pairs for all 1 ps snapshots extracted from 15 ns molecular dynamics trajectory of the duplex G15. The average value of the coupling squared 〈 V2 〉 is found to be 0.0065 eV2. Then we analyze the base-pair and step parameters of the configurations in which V2 is at least an order of magnitude larger than 〈 V2 〉. To obtain more consistent data, ∼65 000 configurations of the (G:C)2 stack were built using systematic screening of the step parameters shift, slide, and twist. We show that undertwisted structures (twist<20°) are of special interest, because the π stack conformations with strong electronic couplings are found for a wide range of slide and shift. Although effective hole transfer can also occur in configurations with twist=30° and 35°, large mutual displacements of neighboring base pairs are required for that. Overtwisted conformation (twist38°) seems to be of limited interest in the context of effective hole transfer. The results may be helpful in the search for DNA based elements for nanoelectronics

Syntheses, conformations, and basicities of bicyclic triamines

The multistep syntheses of several bicyclic triamines are described, all of which have an imbedded 1,5,9-triazacyclododecane ring. In 1,5,9-triazabicyclo[7.3.3]pentadecanes 12, 13, 15, and 16, two nitrogens are bridged by three carbons. The monoprotonated forms of these triamines are highly stabilized by a hydrogen-bonded network involving the bridge and both bridgehead nitrogens, producing a difference of more than 8 pK(a) units in acidities of their monoprotonated and diprotonated forms. The one- and zero-carbon bridges in 1,5,9-triazabicyclo[9.1.1]tridecane (23) and 7-methyl-1,5,9-triazabicyclo[5.5.0]dodecane (39) do not enhance the stabilities of their monoprotonated forms. X-ray crystal structures and computational studies of 12.HI and 16.HI reveal similar, but somewhat weaker, hydrogen-bonded networks, relative to 15.HI. The activation free energies for conformational inversion of 13.HI (14.4 +/- 0.2 kcal/mol), 16.HI (15.0 +/- 0.1 kcal/mol) and 16 (8.8 +/- 0.3 kcal/mol) were measured by variable-temperature H-1 and C-13 NMR spectroscopy. These experimental barriers give an estimate of 6.2 kcal/mol for the strength of the bifurcated hydrogen bond between the bridge nitrogen and cavity proton in 16.HI. Computational studies support the hypothesis that N-inversion occurs in an open conformation, leading to an estimate of 10.32 kcal/mol for the enthalpy of the bifurcated hydrogen bond in 16.HI in the gas phase.

Spontaneous condensation in DNA-polystyrene-b-poly(l-lysine) polyelectrolyte block copolymer mixtures

We investigated the condensation of calf thymus DNA by amphiphilic polystyrene(m)-b-poly(l-lysine)(n) block copolymers (PSm-b- PLys(n), m, n = degree of polymerization), using small-angle X-ray scattering, polarized optical microscopy and laser scanning confocal microscopy. Microscopy studies showed that the DNA condenses in the form of fibrillar precipitates, with an irregular structure, due to electrostatic interactions between PLys and DNA. This is not modified by the presence of hydrophobic PS block. Scattering experiments show that the structure of the polyplexes corresponds to a local order of DNA rods which becomes more compact upon increasing n. It can be concluded that for DNA/ PSm-b- PLys(n) polyplexes, the balance between the PLys block length and the excess charge in the system plays an essential role in the formation of a liquid crystalline phase.