Vers une compréhension mécanistique de la biocatalyse des composés pharmaceutiques dans des matrices complexes par traitement fongique (Trametes hirsuta)

La présence des contaminants organiques dans l’environnement est une problématique aux enjeux aussi bien scientifiques que politiques. Le caractère diffus et continu (différentes et multiples sources) de cette contamination ne permet pas à ces molécules biologiquement actives d’être soumises à une législation. Ces molécules, pouvant être très récalcitrantes, ne sont pas systématiquement éliminées par les systèmes de traitement des eaux conventionnels. Actuellement, de nouveaux procédés biotechnologiques basés sur des enzymes extracellulaires (e.g. Laccase) ou des champignons lignivores permettent l’élimination des composés les plus récalcitrants. Notre compréhension des mécanismes impliqués dans cette élimination reste incomplète. En effet, la biosorption et l’activité des enzymes extracellulaire sont les mécanismes les plus souvent mis en avant pour expliquer l’efficacité des procédés d’élimination fongique, mais ne sont pas capables d’expliquer les performances obtenues pour certains composés pharmaceutiques. Ces lacunes dans nos connaissances sur les mécanismes responsables de l’élimination fongique des contaminants organiques sont un frein à la pleine exploitation de ces procédés de traitement. De plus, il est forcé d’admettre qu’un grand nombre de travaux portant sur l’élimination fongique de contaminants organiques ont été réalisés dans des conditions de hautes concentrations, qui peuvent être peu représentatives des matrices environnementales. Ainsi, les effets observés à plus forte concentration peuvent etre le résultat dû au stress de l’organisme au contact des contaminants (toxicités). Cette thèse adresse deux questions ; ainsi quelle est l’influence des concentrations traces sur de tels procédés ? Et comment expliquer l’élimination de certains contaminants organiques lors des traitements fongiques ? Afin d’apporter des éléments de réponse sur les mécanismes mis en jeux lors de l’élimination fongique, les travaux présentés ici ont été réalisés sur un modèle de champignon lignivore connu pour ses propriétés en bioremediation. Dans un premier temps, un développement analytique permettant la quantification d’une sélection de contaminants organiques à l’état de traces a été réalisé. Cette méthode a permis d’effectuer des analyses de ces molécules à partir d’un seul échantillon environnemental de faible biomasse et à partir d’une seule injection instrumentale. Les résultats de cette thèse démontrent que l’élimination fongique de contaminants organiques résulte de mécanismes plus complexes que précédemment décrits. Notamment, la dégradation est fortement dépendante d’une étape initiale d’internalisation du contaminant par l’organisme ciblé et de la dégradation intracellulaire. Les mécanismes impliqués peuvent ainsi donnés lieux à des réactions de conjugaison intracellulaire des molecules (glucuronide, glutathione). Les résultats démontrent également que ces procédés d’élimination fongique sont efficaces sur une large gamme de concentration en contaminants organiques. Cependant, les faibles concentrations modifient les propriétés physico-chimiques et biologiques de l’organisme testé (i.e. un changement de la morphologie et du profil de la production enzymatique). La réponse biologique n’étant pas directement proportionnelle a l’exposition en contaminant. Cette étude a permis d’accroitre notre compréhension des mécanismes impliqués dans la dégradation fongique de contaminants organiques. Ceci ouvre la voie à de nouvelles études portant sur les interactions entre processus intra — et extracellulaires. Cette thèse contribue également à l’amélioration des connaissances en offrant des outils de compréhension nécessaire à l’optimisation et au développement du potentiel de ces procédés biotechnologiques (ciblage et role des enzymes réeellement impliquées dans les réactions de biocatalyse).

Etude de la toxicité hépatique de la cocaïne associée à de l'alcool: Effets de l'éthanol sur le métabolisme de la cocaïne dan les hépatocytes de rat en suspension et dans un modèle enzymatique humain

Le but essentiel de notre travail a été d?étudier la capacité du foie, premier organe de métabolisation des xénobiotiques, à dégrader la cocaïne en présence d?éthanol, à l?aide de deux modèles expérimentaux, à savoir un modèle cellulaire (les hépatocytes de rat en suspension) et un modèle acellulaire (modèle reconstitué in vitro à partir d?enzymes purifiées de foie humain). La première partie a pour objectifs de rechercher les voies de métabolisation de la cocaïne qui sont inhibées et / ou stimulées en présence d?éthanol, sur hépatocytes isolés de rat. Dans ce but, une méthode originale permettant de séparer et de quantifier simultanément la cocaïne, le cocaéthylène et huit de leurs métabolites respectifs a été développée par Chromatographie Phase Gazeuse couplée à la Spectrométrie de Masse (CPG / SM). Nos résultats préliminaires indiquent que l?éthanol aux trois concentrations testées (20, 40 et 80 mM) n?a aucun effet sur la cinétique de métabolisation de la cocaïne. Notre étude confirme que l?addition d?éthanol à des cellules hépatiques de rat en suspension supplémentées en cocaïne résulte en la formation précoce de benzoylecgonine et de cocaéthylène. L?apparition retardée d?ecgonine méthyl ester démontre l?activation d?une deuxième voie de détoxification. La production tardive d?ecgonine indique une dégradation de la benzoylecgonine et de l?ecgonine méthyl ester. De plus, la voie d?oxydation intervenant dans l?induction du stress oxydant en produisant de la norcocaïne est tardivement stimulée. Enfin, notre étude montre une métabolisation complète de la concentration initiale en éthanol par les hépatocytes de rat en suspension. La deuxième partie a pour but de déterminer s?il existe d?autres enzymes que les carboxylesterases formes 1 et 2 humaines ayant une capacité à métaboliser la cocaïne seule ou associée à de l?éthanol. Pour ce faire, une méthode de micropurification par chromatographie liquide (Smart System®) a été mise au point. Dans le cadre de nos dosages in situ de la cocaïne, du cocaéthylène, de la benzoylecgonine, de l?acide benzoïque et de la lidocaïne, une technique par Chromatographie Liquide Haute Performance couplée à une Détection par Barrette de Diode (CLHP / DBD) et une méthode de dosage de l?éthanol par Chromatographie Phase Gazeuse couplée à une Détection par Ionisation de Flamme équipée d?un injecteur à espace de tête (espace de tête CPG / DIF) ont été développées. La procédure de purification nous a permis de suspecter la présence d?autres enzymes que les carboxylesterases formes 1 et 2 de foie humain impliquées dans le métabolisme de la cocaïne et déjà isolées. A partir d?un modèle enzymatique reconstitué in vitro, nos résultats préliminaires indiquent que d?autres esterases que les formes 1 et 2 de foie humain sont impliquées dans l?élimination de la cocaïne, produisant benzoylecgonine et ecgonine méthyl ester. De plus, nous avons montré que les sensibilités de ces enzymes à l?éthanol sont variables.<br/><br/>The main purpose of our work was to study the ability of the liver, as the first organ to metabolise xenobiotic substances, to degrade cocaine in the presence of ethanol. In order to do this, we used two experimental models, namely a cellular model (rat liver cells in suspension) and an a-cellular model (model reconstructed in vitro from purified human liver enzymes). The purpose of the first part of our study was to look for cocaine metabolising processes which were inhibited and / or stimulated by the presence of ethanol, in isolated rat liver cells. With this aim in mind, an original method for simultaneously separating and quantifying cocaine, cocaethylene and eight of their respective metabolites was developed by Vapour Phase Chromatography coupled with Mass Spectrometry (VPC / MS). Our preliminary results point out that ethanol at three tested concentrations (20, 40 et 80 mM) have no effect on the kinetic of metabolisation of cocaine. Our study confirms that the addition of alcohol to rat liver cells in suspension, supplemented with cocaine, results in the premature formation of ecgonine benzoyl ester and cocaethylene. The delayed appearance of ecgonine methyl ester shows that a second detoxification process is activated. The delayed production of ecgonine indicates a degradation of the ecgonine benzoyl ester and the ecgonine methyl ester. Moreover, the oxidising process which occurs during the induction of the oxidising stress, producing norcocaine, is stimulated at a late stage. Finally, our study shows the complete metabolisation of the initial alcohol concentration by the rat liver cells in suspension. The second part consisted in determining if enzymes other than human carboxylesterases 1 and 2, able to metabolise cocaine on its own or with alcohol, existed. To do this, a micropurification method us ing liquid phase chromatography (Smart System®) was developed. A technique based on High Performance Liquid Chromatography coupled with a Diode Array Detection (HPLC / DAD) in the in situ proportioning of cocaine, cocaethylene, ecgonine benzoyl ester, benzoic acid and lidocaine, and a method for proportioning alcohol by quantifying the head space using Vapour Phase Chromatography coupled with a Flame Ionisation Detection (head space VPC / FID) were used. The purification procedure pointed to the presence of enzymes other than the human liver carboxylesterases, forms 1 and 2, involved in the metabolism of cocaine and already isolated. The preliminary results drawn from an enzymatic model reconstructed in vitro indicate that human liver carboxylesterases, other than forms 1 and 2, are involved in the elimination of cocaine, producing ecgonine benzoyl ester and ecgonine methyl ester. Moreover, we have shown that the sensitivity of these enzymes to alcohol is variable.

A genetic and biochemical investigation of malondialdehyde production and turnover in Arabidopsis

Malondialdehyde (MDA) is a small reactive molecule which occurs ubiqui¬tous among eukaryotes. Interest in this molecule stems from the fact that it can be highly reactive. In green tissues of plants it is apparently formed pre¬dominantly by reactive oxygen species (ROS)-mediated non-enzymatic oxi¬dation (nLPO) of triunsaturated fatty acids (TFAs). MDA which is formed by nLPO is widely used as a disease marker and is regarded to be a cel-lular toxin. Surprisingly, sites of ROS production like mitochondria and chloroplasts possess membranes which are enriched in nLPO-prone polyun¬saturated fatty acids (PUFAs). In this work we showed that chloroplasts are the major site of MDA production in leaves of adult Arabidopsis thaliana plants, whereas analyses in seedlings revealed accumulation in meristematic tissues like the root tip, lateral roots and the apical meristem region. Char-acterizing the MDA pools in more detail, we could show that MDA in plants was predominantly present in a free, non-reactive enolate form. This might explain why it is tolerated in sites where its protonated form could poten¬tially damage the genome and proteome. Analyzing the biological fate of MDA in leaves using labeled MDA-isotopes. we were able to show that MDA is metabolized and used to assemble lipids. The major end-point metabolite was identified as 18:3-16:3-monqgalactosyldiacylglycerol (MGDG), which is the most abundant lipid in chloroplasts. We hypothesize that PUFAs in sites of ROS production, like at PS II in chloroplasts, might act as buffers pre¬venting damage of proteins, thereby generating molecules such as MDA. The MDA produced in this way appears predominantly in a non-reactive enolate form in the cell until it fulfills a biological function or until it is metabo¬lized in order to assemble polyunsaturated MGDGs. Additionally, nLPO has been reported to increase in pathogenesis and we challenged seedlings and adult plants with necrotrophic fungi. Monitoring MDA during the in¬fections, we found MDA pools in seedlings were highly inducible although they were tightly controlled in the leaves of adult plants. - Malondialdehyde (MDA) est une petite molecule réactive présente de manière ubiquitaire dans les eucaryotes. L'intérêt de cette molécule vient du fait que celle-ci pourrait être très réactive. Dans les tissus verts des plantes, la majorité du MDA est apparement formée par l'oxydation non-enzymatique (nLPO) des acides gras polyinsaturés (PUFAs) transmis par des espèces ac¬tives d'oxygène (ROS). Le MDA formé par nLPO est souvent utilisé comme marqueur de maladies et il est considéré comme une toxine cellulaire. Etonnament, les sites de production comme les mitochondries et les chloro- plastes sont riches en PUFAs qui sont sensibles à la nLPO. Dans cette thèse nous montrons que les chloroplastes répresentent le site de production de MDA dans les feuilles adultes d'Arabidopsis thaliana. Les analyses de MDA dans les plantules ont révélé que le MDA s'accumule dans les tissus meris- tematiques comme celles de la pointe de la racine, des racines latéralles et du meristème apical. Par la caractérisation du MDA présent nous avons pu montrer que la majorité du MDA était présent sous la forme d'un énolate non-réactif. Ceci pourrait expliquer pourquoi le MDA est toléré dans les sites où il pourrait casser le genome ou le protéome s'il est présent sous sa forme protonée. Les analyses du devenir du MDA dans les feuilles par des isotopes du MDA ont montré que celui-ci est metabolisé et utilisé pour assembler des lipides. Le lipide majoritairement métabolisé a été identifié comme étant le 18:3-16:3-monogalactosyldiacylglycerole (MGDG); le lipide le plus abondant dans les chloroplastes. Nous supposons que la présence des PUFAs dans les sites de production du ROS, tout comme le PS II dans les chloroplastes, pourrait jouer un rôle de tampon pour prevenir les protéines de différentes dégradations et ainsi générer des molécules telle que le MDA. La majorité du MDA produit par cette réaction est présente dans la cellule sous la forme d'énolate non-réactif, jusqu'au moment de son utilisation ou lorsqu'il serra metabolisé pour produire des MGDGs polyinsaturés. De plus, il a été décrit que nLPO pourait augmenter dans la pathogenèse, et nous avons testé des plantes adultes et des plantules en présence de champignons nécrotrophiques. L'observation du MDA pendant les infections a montré que les concentrations en MDA sont fortement induites dans les plantules mais contrôlées dans les plantes adultes.

Des problèmes pré-analytiques à l'oxydation des protéines : voyage protéomique

RAPPORT DE SYNTHESE :Cette thèse a pour but de démontrer que les protéines sanguines sont sensibles à leur micro- environnement redox et que les outils protéomiques permettent pour une part de caractériser les effets de ce micro-environnement au niveau moléculaire. Elle est divisée en trois parties, les deux premières sous forme d'articles de revue publiés et la troisième sous forme d'un travail de recherche mené au Centre de Transfusion Sanguine de Lausanne en collaboration avec la PAF (Protein Analysis Facility) de l'UNIL.L'article « Plasma/serum proteomics : preanalytical issues » publié dans Expert Review of Proteomics en 2007 explique comment la protéine porte l'empreinte de la phase pré¬analytique. La technique d'électrophorèse bi-dimensionnelle « différentielle » permet de simplifier cette phase en soumettant tous les échantillons analysés aux mêmes manipulations, ramenant ainsi les variables pré-analytiques aux plus élémentaires d'entre elles. Dans l'article « Oxidation of proteins : basic principles and perspectives for blood proteomics » publié dans Proteomics Clinical Applications en 2008, il est question de l'oxydation comme réaction chimique à l'origine de lésions, protéiques. Celles-ci peuvent donner lieu à des artefacts d'analyse protéomique et rendre l'identification de peptides confondante. Elles peuvent par ailleurs être chimiquement instables et s'associer à d'autres composés contenus dans l'échantillon.Le travail de recherche décrit l'étude protéomique des modifications oxydatives au niveau du fibrinogène oxydé in vitro. Les résultats de cette étude indiquent que les conditions de conservation de plasma destiné à la transfusion peuvent potentiellement altérer la structure et la fonction des protéines contenues dans ce produit sanguin et que ce phénomène est pour une part oxydatif.

Schizophrénie Étude de corrélation entre des paramètres psychopathologiques et des données génétiques

La schizophrénie est une maladie chronique qui touche 1% de la population mondiale. Elle¦comporte des facteurs de risque génétiques et environnementaux. Leur interaction pendant le¦développement du cerveau mène aux déficits de la synchronisation neuronale et aux¦dommages cellulaires qui prédisposent l'individu à développer, à l'âge adulte, la¦schizophrénie (Kim Do et al.). Kim Do et al (2009) ont découvert qu'une anomalie génétique¦de la synthèse du glutathion (GSH) est responsable de la dérégulation redox qui mène au¦stress oxydatif qui, à son tour, est impliqué dans la pathogénèse de la schizophrénie pendant le¦développement du cerveau. Le GSH protège les cellules contre les radicaux libres produits par¦le stress oxydatif. En effet, les radicaux libres provoquent la peroxydation des lipides,¦l'oxydation des protéines et des lésions au niveau de l'ADN, et par conséquent, des¦dommages cellulaires.¦Le GSH est produit par l'enzyme clé GCL (glutamate-cystéine ligase). Le GCL est composé¦de deux sous-unités: GCL-M (sous-unité modulatrice) et GCL-C (sous-unité catalytique). Des¦polymorphismes des gènes de GCL-M et GCL-C ont été trouvé associés avec la¦maladie (Tosic et al., 2006 ; Gysin et al., 2007). Dans cette étude, on se focalisera sur le TNR¦GAG (répétitions de tri-nucléotides) du GCL-C. En effet, GCL-C possède sur son codon¦START des variances avec 7, 8 ou 9 répétitions GAG générant ainsi six génotypes différents:¦7/7, 7/8, 7/9, 8/8, 8/9 et 9/9. Dans deux cohortes, les génotypes 8/7, 8/8, 8/9 et 9/9, appelés¦génotype à haute risque (HR), se trouvent en plus grand nombre chez les patients tandis que¦les génotypes 7/7 et 7/9 (génotypes à bas risque (BR)) sont plus nombreux chez les sujets¦témoins (Gysin et al., 2007). En plus, les analyses des cultures de fibroblastes montrent que¦chez les génotypes HR, en comparaison avec ceux à BR, l'expression de protéine de GCL-C,¦l'activité enzymatique de GCL et le taux de GSH sont nettement plus bas.¦Cette étude se base sur le DIGS (diagnostic interview for genetic studies), un entretien semistructuré¦qui récolte des données psychopathologiques. Grâce à cet outil, nous pouvons¦comparer les données des sujets avec les génotypes HR versus BR. Plus précisément, on va se¦focaliser sur le chapitre des psychoses du DIGS chez les schizophrènes, en se posant la¦question suivante: « Est-ce qu'il y a une différence des phénotypes entre BR et HR ? » .¦La méthode de travail va se focaliser sur : (a) revue de la littérature, (b) l'analyse et la¦compréhension du DIGS et (c) l'analyse, l'interprétation et la synthèse des résultats¦statistiques du chapitre « psychose » du DIGS.¦Les résultats nous indiquent une différence significative entre les deux groupes pour les¦symptômes suivants : (a) les idées délirantes de persécution, (b) la durée de l'émoussement¦affectif et des affects inappropriés et (c) les croyances inhabituelles ou pensées magiques¦pendant la phase prodromique.¦Étant donné que cette étude se base sur un échantillon assez restreint, il faudrait la consolider¦avec un plus grands nombre de cas et il serait intéressant de le reproduire dans une autre¦cohorte. En conclusion, le travail peut ouvrir de nouvelles perspectives, surtout pour les¦symptômes mal traités ou pas traités par les traitements actuels.

Développement de méthodes analytiques de séparation des produits de digestion enzymatique des dérivés de cellulose

La cellulose et ses dérivés sont utilisés dans un vaste nombre d’applications incluant le domaine pharmaceutique pour la fabrication de médicaments en tant qu’excipient. Différents dérivés cellulosiques tels que le carboxyméthylcellulose (CMC) et l’hydroxyéthylcellulose (HEC) sont disponibles sur le commerce. Le degré de polymérisation et de modification diffèrent énormément d’un fournisseur à l’autre tout dépendamment de l’origine de la cellulose et de leur procédé de dérivation, leur conférant ainsi différentes propriétés physico-chimiques qui leurs sont propres, telles que la viscosité et la solubilité. Notre intérêt est de développer une méthode analytique permettant de distinguer la différence entre deux sources d’un produit CMC ou HEC. L’objectif spécifique de cette étude de maitrise était l’obtention d’un profil cartographique de ces biopolymères complexes et ce, par le développement d’une méthode de digestion enzymatique donnant les oligosaccharides de plus petites tailles et par la séparation de ces oligosaccharides par les méthodes chromatographiques simples. La digestion fut étudiée avec différents paramètres, tel que le milieu de l’hydrolyse, le pH, la température, le temps de digestion et le ratio substrat/enzyme. Une cellulase de Trichoderma reesei ATCC 26921 fut utilisée pour la digestion partielle de nos échantillons de cellulose. Les oligosaccharides ne possédant pas de groupements chromophores ou fluorophores, ils ne peuvent donc être détectés ni par absorbance UV-Vis, ni par fluorescence. Il a donc été question d’élaborer une méthode de marquage des oligosaccharides avec différents agents, tels que l’acide 8-aminopyrène-1,3,6-trisulfonique (APTS), le 3-acétylamino-6-aminoacridine (AA-Ac) et la phénylhydrazine (PHN). Enfin, l’utilisation de l’électrophorèse capillaire et la chromatographie liquide à haute performance a permis la séparation des produits de digestion enzymatique des dérivés de cellulose. Pour chacune de ces méthodes analytiques, plusieurs paramètres de séparation ont été étudiés.

Étude structurale de la fructoselysine 6-kinase d’Escherichia coli : reconnaissance de substrats et mécanisme enzymatique

Quelques enzymes sont connus pour déglyquer les kétoamines résultants de la réaction de Maillard entre des sucres et des amines primaires. Il a été démontré qu’Escherichia coli possède un opéron afin de métaboliser la fructoselysine. La fructoselysine 6-kinase, de la famille des PfkB, initie le processus de déglycation permettant l’utilisation ultérieure du glucose-6-P par la bactérie. La résolution de la structure de la FL6K par cristallographie et diffraction des rayons X a permis d’identifier son site actif en présence d’ATP, d’ADP et d’AMP-PNP. La modélisation de la fructoselysine au site actif de la kinase a permis d’identifier des résidus pouvant être importants pour sa liaison et son mécanisme enzymatique. De plus, les résultats de cinétique suggèrent que le mécanisme utilisé par la FL6K semble passer par un état ternaire de type SN2. Des modifications structurales à la FL6K pourraient permettre d’augmenter la taille des substrats afin de permettre ultimement la déglycation de protéines.

Métabolisme énergétique cardiaque fœtal dans un modèle de restriction de croissance intra-utérine chez le rat

Une diète faible en sodium donnée à des rates lors de la dernière semaine de gestation induit une diminution de l’expansion volumique, du diamètre des artères utérines et du poids des placentas comparativement à des rates témoins. Ces perturbations suggèrent une diminution de la perfusion placentaire affectant l’apport foetal en nutriments. Les ratons naissent avec une restriction de croissance intra-utérine (RCIU). Chez le foetus, le substrat énergétique cardiaque principal est le glucose via la glycolyse. À la naissance, la source principale d’énergie est l’utilisation des acides gras par la β-oxydation. Nous émettons l’hypothèse que dans ce modèle de RCIU, le coeur foetal répond à la diminution d’apport nutritionnel due à une atteinte maternelle en adaptant son métabolisme énergétique cardiaque à la baisse. Les rates gestantes (témoins et recevant la diète faible en sodium) sont sacrifiées au jour 22 de gestation (sur 23). Les coeurs foetaux sont prélevés afin de caractériser les protéines dites « limitantes » in vitro des voies de la glycolyse et de la β-oxydation. Les expressions protéiques de GLUT1, GLUT4, HK1, HK2, CPT2, CPT1β, cytochrome c, PFK1, PKM1/2, mesurées par immunobuvardage de type Western, sont similaires entre les coeurs des foetus RCIU et témoins, mâles et femelles. L’expression protéique de CPT1α est diminuée dans les coeurs des femelles RCIU seulement. Il n’existe aucune différence significative entre les différents groupes quant à l’activité enzymatique de PKM1/2. Nos résultats dressent un profil métabolique général suggérant que le sexe du foetus peut avoir un effet sur la réponse cardiaque foetale à une atteinte du volume sanguin maternel causée par la diète restreinte en sodium. Ce profil métabolique semble démontrer une atteinte du catabolisme des lipides. Afin de bien caractériser cette réponse du mécanisme énergétique, l’activité enzymatique des autres enzymes principales de la glycolyse (HK1, HK2, PFK1), le flux intra-mitochondrial d’acyl CoA à travers les CPTs ainsi que la quantité totale d’acétyl CoA devront être quantifiés.

Développement de méthodes de séparation des chitooligosaccharides obtenus par déacétylation enzymatique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Glycation non enzymatique des protéines endothéliales au cours du diabète

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.