Doctor of Philosophy / Department of Chemistry / Christer B. Aakeroy / We have shown that supramolecular synthons can be used to construct discrete two or three component co-crystals and 1-D inorganic-organic chains and dramatically influence the arrangement of nanoparticle assemblies. A collection of supramolecular reagents (SR's) have been designed and synthesised to carry out a systematic study into hydrogen bonding. In order to test Etter's guideline "the best proton donor and acceptor remaining after intramolecular hydrogen-bond formation will form an intermolecular hydrogen-bond" and to develop a hierarchy of interactions, a series of co-crystals between the supramolecular reagents and hydrogen-bond donors (carboxylic acids) have been synthesised. Co-crystals with pyrazole benzamide SR's have demonstrated the ability to fine-tune hydrogen-bond formation. By utilising a poor hydrogen-bond acceptor (pyrazole) the incoming carboxylic acid opts to form a heteromeric acid-amide dimer via N-H[three dots]O hydrogen bonds. Additionally, we have shown that the hydrogen-bond acceptor strength of the pyrazole can be turned up through simple covalent modifications (i.e. isomer change or addition of methyl groups to the pyrazole ring). Although the heteromeric acid-amide dimer is observed, O-H[three dots]N hydrogen bonds to the pyrazole are also observed in cases when more than one donor site is present (i.e. di-carboxylic acids and 4-hydroxybenzoic acid). Furthermore, co-crystals with picolyl-indazole and pyrimidine-pyrazole SR's agree with Etter's guideline. In all cases, the incoming carboxylic acid forms an O-H[three dots]N hydrogen bond to the best acceptor (pyridine and pyrazole, respectively). The homomeric amide-amide dimer has been used to construct inorganic-organic hybrid materials. The reaction between the pyrazole benzamide ligands with acac or "paddle-wheel" complex ions yielded 1-D chains. Furthermore, pyrimidine-bispyrazole and functionalised 1,3-bisbenzylpyrazole ligands have been utilised as chelating-ligands for reliable metal coordination. Finally, the power of supramolecular synthons to control the arrangement of much larger nanoparticle assemblies has been shown. Both homomeric (acid-acid, alcohol-alcohol) and heteromeric (acid-imidazole, alcohol-imidazole) hydrogen bonding cause significant changes in nanoparticle assemblies.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / De nouveaux catalyseurs peuvent être générés par la construction de peptides, incorporant des acides aminés naturels et conformationnellement restreints, dans l’objectif de mimer les aspects structuraux des sites actifs d’enzymes. Le travail présenté dans ce mémoire consiste en la synthèse et en la caractérisation d’un nouveau peptide cyclique, le cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1), dans lequel deux résidus d’acide aspartique sont situés entre deux résidus d’acide aminé indolizidinone (IAA). Ce peptide cyclique est conçu de façon à placer les groupes carboxyliques des résidus d’acide aspartique à proximité grâce aux restrictions de la chaîne peptidique causées par les IAA. Avec ces caractéristiques, le cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1) est proposé comme mimétique des protéases aspartiques. Les protéases aspartiques constituent une classe d’enzymes qui ont pour fonction d’hydrolyser les liaisons amides des peptides et des protéines. Leur site actif contient deux résidus d’acide aspartique dont les chaînes latérales sont situées à proximité. Un seul groupe carboxylate est protoné dans la forme active de l’enzyme. Le mécanisme d’hydrolyse pour ces molécules procède soit par une attaque nucléophile par un des groupes carboxylates soit par l’attaque d’une molécule d’eau assistée par les groupes carboxyles comme acide général/base générale. Dans le cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1), la relation spatiale entre les deux groupes carboxyliques des résidus d’acide aspartique pourrait promouvoir l’hydrolyse de liaisons esters ou amides selon le mécanisme base générale/acide général ou nucléophile. Deux conformations de même énergie ont été trouvées pour le cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1) en utilisant la recherche conformationnelle de Monte Carlo. La première conformation possède les caractéristiques d’un feuillet plissé β antiparallèle situé entre deux IAA placés aux positions i + 1 et i + 2 de repliements β de type II’. Dans la seconde, les résidus IAA sont placés aux positions i et i + 1 d’un repliement tordu. Le peptide cyclique 1 a été préparé en solution avec un rendement de 11 % ainsi que sur support solide avec un rendement de 25 % en utilisant la résine PAB-BHA. La conformation du cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1) a été déterminée avec l’aide des constantes de couplage scalaires en RMN de ^1H, des couplages dipolaires du spectre NOESY et avec les gradients de déplacement chimiques des protons amides en fonction de la température (Δδ/ΔT). Les résultats de l’analyse conformationnelle soutiennent l’une des conformations trouvées par la modélisation moléculaire et non la seconde. Les constantes de couplage vicinales entre les protons en α et les deux protons diastéréotopiques en β des résidus Asp indiquent que les groupes carboxyliques sont positionnés au-dessus du cycle. De plus, le titrage potentiométrique dans l’eau du cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1) donne des valeurs anormales de pKa pour les deux acides carboxyliques. Par contre, les expériences préliminaires consistant à déterminer l’activité catalytique du cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1) montrent que le peptide cyclique est peu efficace pour accélérer l’hydrolyse de l’acétate de 2,4-dinitrophényle. En détaillant la synthèse et la caractérisation du cyclo[IAA-Asp-IAA-Asp] (1), ce travail de recherche discute du mérite de l’utilisation d’acides aminés naturels et conformationnellement restreints pour la construction de peptides pouvant mimer les sites actifs d’enzymes.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les récepteurs du glutamate sont impliqués dans les maladies neurodégénératives telles que le dommage cérébral caractéristique des maladies de Huntington, Alzheimer et Parkinson, en plus d'être associés à l'ischémie, aux traumatismes crâniens, à l'encéphalopathie liée au SIDA et à l'épilepsie. Ils sont donc importants dans les mécanismes du système nerveux central et son bon fonctionnement. Parmi les récepteurs du glutamate, on retrouve le récepteur kaïnate. Ce mémoire présente une nouvelle approche synthétique des kaïnoïdes et la synthèse de trois nouveaux analogues des kaïnoïdes à partir de la trans-4-hydroxyproline. Les étapes comprennent la protection du carbonyle et de l'amine, l'oxydation de l'alcool, l'alkylation régiospécifique de la cétone en position 3, la formation d'un énol triflique, le couplage à un acide arylboronique et enfin la déprotection pour obtenir les acides (2S)-A-arylkaïniques. Les trois kaïnoïdes générés varient par le groupement aryle qui est soit le phényle, le 2-méthoxyphényle ou le 2-naphtyle.

Les matériaux électrochromes et électrofluorescents sont des matériaux dont les propriétés optiques peuvent être modulées par l’application d’un potentiel. La plupart de ces matériaux sont composés soit de polymères, de petites molécules organiques ou encore d’assemblages donneur-accepteur. L’anthraquinone est une petite molécule biosourcée catégorisée comme colorant, qui lorsqu’elle est fonctionnalisée permet une absorption de la lumière dans la région du visible. Elle présente des fonctions (carbonyle) qui peuvent subir des processus d’oxydo-réduction. Six dérivés d’anthraquinones ont été synthétisés sur lesquels ont été fixés diverses fonctions (amine, alcool, sulfure) sur des positions différentes du cycle aromatique (ortho et para). Dépendamment de la fonction fixée, les six dérivés présentent différentes absorptions (453 à 640 nm), mais toujours dans la région du visible. La caractérisation par électrochimie permet de connaître quels sont les processus réversibles et irréversibles. L’étude de la durée de vie en cyclage a pu montrer que tous les dérivés pouvaient être stables jusqu’à 300 cycles en phase de réduction (-0,81 à -1,54 V). Les propriétés électrochromiques des dérivés ont pu être démontrées par caractérisation spectroélectrochimique, suivie de leurs critères de performance électrochromique (113,3 à 781,2 cm².C-1). Il a été observé que les dérivés possèdent une certaine stabilité colorimétrique par la caractérisation en contraste optique (52,6 à 98,1 %). L’efficacité colorimétrique et la capacité électrochimique ont été calculées et ont permis de constater que certains dérivés étaient de très bons électrochromes. Certains dérivés de couleur jaune, cyan et magenta, ont permis de produire des mélanges binaires et tertiaires. Certains mélanges (tertiaires) démontraient jusqu’à huit transitions colorimétriques lors de l’application d’un potentiel passant de noir jusqu’à transparent. Des phénomènes d’émission ont été mesurés pour quelques dérivés les présentant. Tous les dérivés émissifs possèdent la propriété de solvatochromisme, permettant de moduler leur émission en fonction du solvant utilisé. Un seul dérivé a pu montrer des propriétés d’électrofluorescence. Dépendamment de la longueur d’onde d’excitation, soit l’émission subit des déplacements (hypsochromes et bathochromes), soit il y a désactivation de l’émission. Des calculs théoriques par DFT avec différents modèles ont permis une meilleure compréhension des phénomènes liés à la fonctionnalisation de l’anthraquinone. / The optical properties of electrochromic and electrofluorochromic materials can be modulated with an applied potential. Such organics materials are either molecular or polymer in structure and they usually have donor-acceptor constitutional components. Anthraquinone is a bio-based dye, which when functionalized, absorbs light in the visible region. Anthraquinone is also electroactive and it can be electrochemically reduced and oxidized. Six anthraquinone derivatives were synthesized to examine the effect of both the type of the heteroatom (amine, alcohol, and sulfide) and their regio-substitution on the opto-electronic properties. The absorption of the six anthraquinones varied between 453 and 640 nm in the visible region contingent on the heteroatoms and their regiosubstitution. The anthraquinones retained their reversible electrochemistry with the cathodic redox potential occurring between -0,81 and -1,54 V. The anthraquinones examined were electrochemically stable during 300 cycles of cathodic cyclic voltammetry. The electrochromic behavior of the anthraquinones was confirmed by spectroelectrochemistry and their electrochromic performance was evaluated. Electrochromic measurements confirmed the anthraquinones retained their coloration efficiency (113,3 to 781,2 cm².C-1) and contrast ratio (52,6 to 98,1 %) according to multiple spectroelectrochemical cycles. Leveraging color subtractive theory and the intrinsic primary colors of the anthraquinones (yellow, cyan, and magenta), the spectroelectrochemistry of binary and ternary mixtures of the anthraquinones was examined. Eight colorimetric transitions were possible with an applied potential, transitioning from a composite black color to colorless for the yellow + cyan + magenta ternary mixture. The fluorescence of the anthraquinones was solvatochromic with spectral shifts between 587 and 675 nm contingent on the solvent polarity. Only the 1,5-bis((2- hydroxyethyl)amino) anthraquinone was electrofluorochromic with its intrinsic weak emission being quenched with an applied negative potential. DFT calculations with different functionals helped understand the opto-electronic properties of the functionalized anthraquinones.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La cartographie peptidique est une technique comparative couramment utilisée pour l'analyse des protéines et l'identification de substitutions d'acides aminés ou de modifications post-transductionnelles dont certaines sont à l'origine de maladies graves comme l'anémie. Cette technique est constituée de trois étapes: le clivage enzymatique ou chimique de la protéine, la séparation et la détection des fragments peptidiques par une technique chromatographique. La cartographie peptidique de protéines provenant d'échantillons biologiques est une technique longue et fastidieuse. Afin de digérer les protéines, nous avons mis au point un microréacteur qui contient de la trypsine immobilisée sur un support solide. La solution de protéine est perfusée à travers le microréacteur où a lieu la digestion. Les fragments peptidiques sont collectés à la sortie du micro-réacteur et séparés par électrophorèse capillaire (CE). Ce microréacteur a montré une bonne reproductibilité des cartes peptidiques pour des concentrations de protéines assez élevées (0.08 mM). Cependant, le nombre de pics obtenus sur nos électrophérogrammes dans le cas de la [3-caséine est supérieur au nombre de peptides attendus. Nous avons montré que ce phénomène est dû au fait que les échantillons commerciaux de cette protéine comportent plusieurs isoforrnes. Dans les échantillons biologiques, les fragments peptidiques issus de la digestion de protéines sont souvent présents à des concentrations inférieures aux limites de détection usuelles par spectrophotométrie. Nous avons donc fabriqué un préconcentrateur fait de billes d'octadécylsilane (1 mm x 370 lm). Dans un premier temps, la solution de fragments peptidiques est perfusée à travers le préconcentrateur où les peptides sont retenus. Après connexion de celui-ci à un capillaire de séparation par électrophorèse capillaire, la désorption est effectuée en injectant à travers le préconcentrateur un petit volume d'une solution d'acétonitrile (65 n1). Ce volume d'élution est ensuite poussé par pression dans le capillaire de séparation. Pour éviter les problèmes associés à la présence du préconcentrateur lors de la séparation, ce dernier est déconnecté du capillaire de séparation avant application du voltage. Nos études ont montré que l'étape de préconcentration induit un phénomène chromatographique qui se superpose à la séparation électrophorétique. En conséquence, les cartes peptidiques obtenues avec une étape de préconcentration sont très différentes de celles obtenues à des concentrations élevées. En dépit de ce phénomène, nous avons obtenu des cartes peptidiques de digestats de la [3-caséine avec une bonne reproductibilité et avec des solutions de protéine à des concentrations de 400 nM. Afin de minimiser la perte d'échantillon, les manipulations et le temps nécessaires pour obtenir la cartographie peptidique à partir de la solution de protéine à basse concentration, nous avons connecté le microréacteur, le préconcentrateur et le capillaire de séparation en un système continu. Malgré la perte de résolution et d'efficacité induite par le design du système et le relativement important volume de désorption injecté (60 n1), nous avons atteint un facteur de préconcentration de 500. Nous avons obtenu les cartes peptidiques de différentes protéines à des concentrations allant de 400 nM à 800 nM en quatre heures et ce de manière reproductible. De plus, notre système est réutilisable.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'objectif de ce projet est d'approfondir la connaissance du site actif de la Esélectine en synthétisant un inhibiteur rigide dont le design a été élaboré à partir de la modélisation moléculaire. La littérature rapporte, depuis quelques années, un grand nombre de composés imitant le ligand naturel (SLex) de la E-sélectine. Les conclusions qui découlent de cette large bibliographie sont que deux pharmacophores sont essentiels à la liaison entre le Slex et la E-sélectine : le diol gauche en position 2 et 3 de la partie fucose et le groupement carboxyle chargé négativement de la partie acide neuraminique. C'est en utilisant le modèle de l'interaction entre SLex et la Esélectine développé par Kogan18que le design d'un inhibiteur de la E-sélectine a été réalisé. Tout d'abord, la distance qui sépare les groupes hydroxyles du groupe carboxylate a été déterminée. A partir de cette mesure un espaceur a été imaginé. Celui-ci doit remplir deux contraintes : il doit tout d'abord maintenir les deux groupes fonctionnels, essentiels à l'interaction entre SLex et la E-sélectine, à la bonne distance et ensuite il doit les retenir dans la bonne orientation afin de maximiser leurs interactions avec les acides aminés appropriés de la protéine. D'après les études de modélisation effectuées dans notre laboratoire, le squelette perhydrophénantrène remplit très bien ces exigences. La synthèse de l'inhibiteur projeté débute donc par la préparation du squelette perhydrophénantrène qui est accessible par la méthode de Deslongchamps. Le tricycle CAC de Deslongchamps est préparé par une réaction de Diels-Alder intramoléculaire sur un macrocycle à 14 membres. Celui-ci est préparé par couplage d'un diène avec un diénophile grâce à des connecteurs malonate. Les connecteurs malonate du tricycle CAC sont alors transformés en diène correspondant via une élimination de séléniures. Le diène résultant est ensuite oxydé à la dicétone correspondante et cette dernière est monoréduite pour donner l'hydroxycétone attendue. Malheureusement, par manque de temps et d'intermédiaires avancés, le travail s'est arrêté à ce point. La stratégie élaborée pour terminer la synthèse prévoyait l'introduction d'une chaîne oxy-acétique via une alkylation de la fonction alcool suivie de l'énolisation sous contrôle cinétique de la cétone et oxydation par le réactif de Davis pour donner l'ot-hydroxeétone correspondante. Finalement, une réduction de celle-ci avec NaBH4 devrait conduire au diol désiré.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l’Université de Montréal / Ce travail examine l'aspect cinétique de l'interaction d'un peptide amphiphile, la mélittine, avec des membranes modèles neutres. L'effet de la présence de lipides chargés négativement et de cholestérol dans la bicouche a aussi été étudié. Deux méthodes en spectroscopie de fluorescence nous ont permis d'examiner de façon indépendante les mécanismes d'association et d'insertion tandis que la structuration du peptide a été analysée à l'aide du dichroïsme circulaire. Pour le système peptide/phosphatidylcholine, les trois types de cinétiques indiquent des mécanismes d'interaction en deux phases. Les temps associés à ces phases sont en général rapides : de l'ordre de la milliseconde pour la première étape et de l'ordre de la seconde pour la deuxième. En effectuant la synthèse de ces donnés expérimentales, il est possible d'établir la séquence dans laquelle les événements se déroulent: association, insertion et structuration en hélice a. La présence de faibles quantités de lipides chargés négativement dans les bicouches zwitterioniques ne modifie pas la séquences des événements ni l'aspect biphasiques des cinétiques. Cependant, on peut observer une réduction des temps correspondant aux premières étapes des trois cinétiques. Cette réduction est d'autant plus importante que la proportion molaire des lipides anioniques dans la membrane est augmentée. Ceci est principalement associé aux interactions électrostatiques attractives entre le peptide et l'interface chargée négativement de la membrane. En présence de cholestérol dans les bicouches de PC, la même séquence de phénomènes est conservée. Les trois types de cinétiques d'interaction sont différents, les mécanismes étant dans ce cas monophasiques. Leurs temps sont comparables à ceux associés aux premières phases des systèmes sans le stérol bien que légèrement plus rapides. Il est proposé que l'empilement plus compact des chaînes des lipides empêche la pénétration profonde de la mélittine dans la membrane.

Doctor of Philosophy / Department of Chemistry / Takashi Ito / Self-organized nanoporous materials have drawn a lot of attention because the uniform, highly dense, and ordered cylindrical nanopores in these materials provide a unique platform for chemical separations and chemical sensing applications. Here, we explore self-organized nanopores of PS-b-PMMA diblock copolymer thin films and anodic gallium oxide for chemical separations and sensing applications. In the first study, cyclic voltammograms of cytochrome c on recessed nanodisk-array electrodes (RNEs) based on nanoporous films (11, 14 or 24 nm in average pore diameter; 30 nm thick) derived from polystyrene-poly(methylmethacrylate) diblock copolymers were measured. The faradic current of cytochrome c was observed on RNEs, indicating the penetration of cytochrome c (hydrodynamic diameter ≈ 4 nm) through the nanopores to the underlying electrodes. Compared to the 24-nm pores, the diffusion of cytochrome c molecules through the 11- and 14-nm pores suffered significantly larger hindrance. The results reported in this study will provide guidance in designing RNEs for size-based chemical sensing and also for controlled immobilization of biomolecules within nanoporous media for biosensors and bioreactors. In another study, conditions for the formation of self-organized nanopores of a metal oxide film were investigated. Self-organized nanopores aligned perpendicular to the film surface were obtained upon anodization of gallium films in ice-cooled 4 and 6 M aqueous H2SO4 at 10 V and 15 V. The average pore diameter was in the range of 18 ~ 40 nm, and the anodic gallium oxide was ca. 2 µm thick. In addition, anodic formation of self-organized nanopores was demonstrated for a solid gallium monolith incorporated at the end of a glass capillary. Nanoporous anodic oxide monoliths formed from a fusible metal will lead to future development of unique devices for chemical sensing and catalysis. In the final study, surface chemical property of self-organized nanoporous anodic gallium oxide is explored through potentiometric measurements. The nanoporous anodic and barrier layer gallium oxide structures showed slow potentiometric response only at acidic pH (≤ 4), in contrast to metallic gallium substrates that exhibited a positive potentiometric response to H⁺ over the pH range examined (3-10). The potentiometric response at acidic pH probably reflects some chemical processes between gallium oxide and HCl.

Doctor of Philosophy / Department of Biochemistry and Molecular Biophysics / John M. Tomich / Branched Amphiphilic Peptide Capsules (BAPCs) are peptide nano-spheres comprised of equimolar proportions of two branched peptide sequences bis(FLIVI)-K-KKKK and bis(FLIVIGSII)-K-KKKK that self-assemble in water to form bilayer delimited poly-cationic capsules capable of trapping solutes. We examined the lipid-like properties of this system including assembly, fusion, solute encapsulation, and resizing by membrane extrusion as well as their capability to be maintained at a specific size by storage at 4˚C. These studies along with earlier work from the lab (Gudlur et al. (2012) PLOS ONE 7(9): e45374) demonstrated that the capsules, while sharing many properties with lipid vesicles, were much more robust. We next investigated the stability, size limitations of encapsulation, cellular localization, retention and, bio-distribution of the BAPCs. We demonstrated that the BAPCs are readily taken up by epithelial cells in culture, escape or evade the endocytotic pathway, and accumulate in the peri-nuclear region where they persist without any apparent degradation. The stability and persistence of the capsules suggested they might be useful in delivering radionuclides. The BAPCs encapsulated alpha particle emitting radionuclides without any apparent leakage, were taken up by cells and were retained for extended periods of time. Their potential in this clinical application is being currently pursued. Lastly we studied the temperature dependence of capsule formation by examining the biophysical characteristics of temperature induced conformational changes in BAPCs and examined the structural parameters within the sequences that contribute to their remarkable stability. A region in the nine-residue sequence was identified as the critical element in this process. The ability to prepare stable uniform nano-scale capsules of desired sizes makes BAPCs potentially attractive as delivery vehicles for various solutes/drugs.

Master of Science / Department of Chemistry / Christopher T. Culbertson / Capillary isoelectric focusing (cIEF) is one of several electrophoretic separation techniques for proteins and various other bio - molecules widely used in biochemistry laboratories. A wide range of analytes separable by the different modes of Capillary Electrophoresis (CE) includes from a small organic or an inorganic molecule to the complex bio-molecules such as protein, peptides, cell organelles, and live microorganisms (e.g. bacteria and viruses). Of the various modes of electrophoresis, Isoelectric focusing (IEF) is a good method for the separation of large amphoteric molecules such as peptides and proteins because of the attainment of overall surface charge depending up on its environment pH. This thesis mainly focuses on application of cIEF for proteins separation and viruses’ detection, which is one of the biggest concerns of human and animal health because of viral outbreak causing loss of thousands of lives and property every year. In chapter one of this thesis, the principles and mechanisms of separation of CE, cIEF, comparative advantages of dynamic coatings over static coating, and advantages of Whole Column Imaging Detection (WCID) over On - olumn Single Point Detection have been discussed. Chapter two includes experimental procedure and calculations for EOF determination. The results of cIEF experiments with standard proteins to develop calibration curve followed by UV absorbance detection of two bacteriophage viruses TR4 and T1 are presented in the chapter three. Final chapter four includes the conclusion and discussion on future direction for the project. The main motivation for this work was to develop a method which is less labor intensive and requires shorter detection time compared to traditional detection methods such as virus culture in serology (7days), polymerase chain reaction (PCR) and gel electrophoresis (6hrs to 2days). A commercially available dynamic coating reagent, EoTrol LN® copolymer used our CE experiments found to be more convenient and efficient than commonly used surface modifiers for example silane-based reagents. Preliminary determination of the pIs of these T1 and TR4 by cIEF was 3.1 ± 1.0 and 6.8 ± 1.0 respectively. The pI of viruses can differ by their strains and the phase of virus - growth. The viruses, though closely related, are easily distinguishable by their different pIs.