Ce mémoire présente la synthèse et les études d'autoassemblage de peptides ayant la propriété de s'autoassembler. Ces études ont pour objectif principal de comprendre le processus qui régit l'autoassemblage des nanostructures protéiques de dimensions définies. Nous avons choisi de réaliser ces études d'autoassemblage à partir des peptides amphiphiles, neutres de type (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3. Dans les quinze dernières années, plusieurs travaux, entre autres du Professeur W.F. DeGrado, démontrent que ces peptides ont la propension à s'autoassembler dans les milieux hydrophobes. Le premier chapitre porte sur les nanostructures protéiques autoassemblantes naturelles et artificielles. Ce chapitre suscite un questionnement sur les règles et les propriétés permettant le processus d'autoassemblage moléculaire. Le deuxième chapitre traite des études antérieures réalisées sur les peptides hélicoïdaux (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3 communément appelé LS2 et LS3 dans la littérature. Le troisième chapitre décrit les différentes voies de synthèse des dérivés fluorescents LS2 et LS3 dans le but de faire des études d'autoassemblage. Finalement, les chapitres 4, 5 et 6 portent principalement sur la caractérisation de nos peptides fluorescents par dichroïsme circulaire, par fluorescence et par microscopie à force atomique.

Titre de l'écran-titre (visionné le 15 mai 2023) / Le microenvironnement tumoral se caractérise notamment par une altération de ses propriétés mécaniques. Cependant, la plupart des modèles actuels sont incapables de recréer fidèlement les propriétés mécaniques d'une tumeur. Les modèles d'ingénierie tissulaire basés sur la méthode d'auto-assemblage ont le potentiel de mieux récapituler l'architecture et la composition du stroma. Ici, nous avons utilisé la méthode d'auto-assemblage basée sur un modèle de tissu de vessie pour créer un environnement semblable à celui d'une tumeur. Le modèle tumoral repose sur la capacité des fibroblastes primaires sains (HFs) induits en fibroblastes associés au cancer (iCAFs) à reconstituer un stroma récapitulant les propriétés d'une tumeur de vessie. Les objectifs de ce projet sont de caractériser le modèle auto-assemblé et définir les composantes permettant de contrôler l'induction des fibroblastes. Nos résultats ont montré que la composition de la matrice extracellulaire (MEC) dérivée des iCAFs est plus rigide, avec un dépôt et un remodelage accru du collagène et de la fibronectine. La technique de microscopie à polarisation quantitative a montré que les cellules urothéliales cultivées sur la MEC composée d'iCAFs étaient plus contractiles et présentaient une translocation nucléaire élevée de YAP. De plus, nos résultats montrent une augmentation de la prolifération des cellules urothéliales présentes sur le stroma des iCAFs ainsi qu'une expression accrue de marqueurs de la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) qui corrèlent avec l'augmentation de la rigidité de la MEC des modèles iCAFs. Une caractérisation plus fine de l'activation des fibroblastes montre un changement de morphologie, d'expression de l'α-SMA et de contractilité cellulaire. En somme, les niveaux de rigidité et la structure du stroma obtenus à l'aide de ce modèle de génie tissulaire sont comparables à ce qui est observé dans les cancers de vessie. De plus, l'urothélium présente également des réponses moléculaires attendues dans un environnement tumoral très rigide. Finalement, une meilleure compréhension des phénomènes d'induction des iCAFs permettrait un meilleur contrôle des propriétés biophysiques des modèles tumoraux produits par auto-assemblage. À terme, ce projet ouvre la porte à la production de modèles reproduisant plus fidèlement les propriétés physiques des tumeurs pour étudier les mécanismes de la progression tumorale in vitro. / A tumor microenvironment is characterized by its altered mechanical properties. However, most models remain unable to faithfully recreate the mechanical properties of a tumor. Engineered models based on the self-assembly method have the potential to better recapitulate the stroma architecture and composition. Here, we used the self-assembly method based on a bladder tissue model to engineer a tumor-like environment. The tissue-engineered tumor models were reconstituted from stroma-derived healthy primary fibroblasts (HFs) induced into cancer-associated fibroblast cells (iCAFs). The objectives of this project are to characterize the self-assembled model and to define the components that control fibroblast induction. Our results show that the iCAFs-derived extracellular matrix (ECM) composition was found to be stiffer, with increased ECM deposition and remodeling. The urothelial cells overlaid on the iCAFs-derived ECM were more contractile, as measured by quantitative polarization microscopy, and displayed increased YAP nuclear translocation. We further showed that the proliferation and expression of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) marker were increased in the urothelial cells, which correlate with the increased stiffness of the iCAFs-derived ECM. Further characterization of fibroblast activation shows a change in morphology, in α-SMA expression, and in cell contractility. Together, our results demonstrate that our tissue-engineered tumor model can achieve stiffness levels comparable to that of a bladder tumor. The urothelium also exhibits molecular responses expected in a highly rigid tumor environment. Finally, a better understanding of the induction of iCAFs would improve the control of the biophysical properties of tissue-engineered tumor models. Ultimately, this project could lead to the production of models that more accurately reproduce the physical properties of tumors to study the mechanisms of tumor progression in vitro.

La bêta lactoglobuline (βlg) est une protéine globulaire qui forme le constituant majoritaire du sérum du lait ou petit lait. Par chauffage la protéine se dénature irréversiblement, puis s’assemble pour former des agrégats ou gels présentant des structures très différentes selon les conditions environnementales, en particulier de pH et de force ionique. Des travaux récents ont montré la possibilité de créer des agrégats stables de βlg de forme sphérique, de 100 à 400 nm de diamètre dans une plage de pH bien spécifique. Ces particules sphériques que nous appelons microgels, sont potentiellement très intéressantes pour des applications dans l’agroalimentaire (blanchissement, stabilisation d’interfaces et encapsulation). L’objectif de la thèse est d’étudier le mécanisme de formation de ces microgels et leurs propriétés structurales dans différentes conditions environnementales afin de pouvoir créer de nouvelles fonctionnalités. La première partie de la thèse a consisté à étudier l’influence du pH sur la formation des microgels. Les suspensions stables de microgels sont formées par chauffage de la solution de βlg en absence de sel jusqu’à 50 g.L-1 de protéine si le pH est placé dans une gamme très étroite entre 5,75 et 6,1. La densité de ces particules sphériques est environ 150 g.L-1 et leur rayon hydrodynamique diminue de 200 nm à 75 nm en augmentant le pH. La formation de ces microgels entraine une augmentation de pH, qui est nécessaire pour obtenir une suspension stable. L’augmentation spontanée du pH pendant la formation des microgels entraine une augmentation de leur densité de charge à la surface qui a pour conséquence d'empêcher leur agrégation. Ce mécanisme d’auto-stabilisation n’est plus suffisant si le pH initial est inférieur à 5,75 et on observe alors la précipitation des microgels. Les microgels ne sont plus formés au-delà d’une valeur critique du pH initial. Dans ce cas, les agrégats fibrillaires sont formés avec un rayon hydrodynamique d’environ 15 à 20 nm. La seconde partie de ce travail traite de la formation des microgels induite par l’ajout des ions calcium. Nous avons montré que des suspensions stables de microgels peuvent être obtenues en chauffant les solutions de βlg en présence des ions calcium. Les conditions de formation des microgels ont été étudiées à différents pH entre 5.8 et 7.5 et différentes concentrations de protéine entre 5 et 100 g.L-1. Il existe un rapport molaire critique calcium/protéine (R) pour former des microgels qui est indépendant de la concentration de protéine. R diminue en diminuant le pH. Les microgels ont un rayon hydrodynamique qui varie entre 100 et 300 nm et leur densité est comprise entre 200 et 450 g.L-1. La détermination de quantité de calcium lié aux microgels indique que le paramètre crucial pour la formation des microgels est la densité des charges nettes des protéines natives. Les suspensions de microgels sont stables dans certaines gammes étroites de R mais s’agrègent et précipitent ou gélifient à des concentrations de calcium plus élevées. Dans la troisième partie, nous avons continué à étudier la formation des microgels dans les étapes initiales et observer leur croissance en présence des ions calcium. On a proposé un mécanisme de formation des microgels de βlg, qui commence par un processus de nucléation et croissance. Des nucléi de tailles bien définies sont formés à la première étape, puis ils continuent à grossir jusqu’à la taille finale des microgels. A des faibles concentrations de calcium les microgels sont stables. A des concentrations plus élevées, les microgels peuvent s’agréger pour former des agrégats plus grands et finalement un gel. La structure des gels de microgels est hétérogène à l’échelle de la microscopie confocale et similaire à celle formée en présence de NaCl 0.3M. Pourtant le processus de formation de ces gels n’est pas le même... / Beta lactoglobulin (βlg) is a major whey protein in the bovine milk. Upon heating above its denaturation temperature (which is pH-dependent), this globular protein undergoes molecular changes leading to the irreversible aggregation. Depending on the pH and ionic strength, either protein aggregates or gels exhibiting various structures and morphologies have been described. Very recently, it was found that in a narrow range of the pH close to iso-electric point, stable suspensions of rather monodisperse spherical particles with a radius of about a hundred nanometers were formed. These spherical particles which were called microgels might be of special interest for the production of liquid dispersions of β-lactoglobulin aggregates exhibiting various functionalities for food applications. The project on which I report here was a collaboration with the Nestlé Reseach Center (Lausanne, Switzerland) and its objective was to study the formation and structural properties of the microgels in different environmental conditions. The first part of the project is to study the influence of the pH on the formation of microgels. Stable suspensions of protein microgels are formed by heating salt free βlg solutions at concentrations up to about C = 50 g.L-1 if the pH is set within a narrow range between 5.75 and 6.1. The internal protein concentration of these spherical particles is about 150 g.L-1 and the average hydrodynamic radius decreases with increasing pH from 200 nm to 75 nm. The formation of the microgels leads to an increase of the pH, which is a necessary condition to obtain stable suspensions. The spontaneous increase of the pH during microgel formation leads to an increase of their surface charge density and inhibits secondary aggregation. This self-stabilization mechanism is not sufficient if the initial pH is below 5.75 in which case secondary aggregation leads to precipitation. Microgels are no longer formed above a critical initial pH, but instead short curved protein strands are obtained with a hydrodynamic radius of about 15-20 nm. The second part of the work is about the formation of microgels driven by the addition of calcium ions. We found that stable suspensions of spherical protein particles (microgels) can be formed by heating βlg solutions in the presence of calcium ions. The conditions for the calcium induced microgel formation were studied at different pH between 5.8 and 7.5 and different protein concentrations between 5 – 100 g.L-1. The results showed that a critical molar ratio of calcium to proteins (R) is needed to form microgels independent of the protein concentration. R decreases with decreasing pH. The microgels have a hydrodynamic radius ranging from 100 to 300 nm and their internal protein concentration ranges from 0.2 to 0.45 g.mL-1. The determination of calcium bound to the microgels suggests that the crucial parameter for microgel formation is the net charge density of the native proteins. The microgel suspensions are stable in a narrow range of R but aggregate at higher Ca2+ concentrations. In the third part, we continued to investigate the formation of microgels at initial step and how it is growing in the presence of calcium ions. We have proposed a mechanism of formation of blg microgels which follows a nucleation and growing process. The nucleus with define size are formed at the initial state and that is growing in size to reach final size of aggregates. At low calcium concentration it stabilizes and then we obtain a stable suspension of microgels. But at high concentrations, the microgels here can jump to form big aggregates and finally a gel. The structure of gel from microgels is heterogenous at the scale of confocal microscopy and similar to those formed in the presence of NaCl 0.3 M. However the process of formation of these gels is not the same...

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Nous avons développé un nano-fil conducteur, constitué uniquement de protéines et bio-inspiré des nano-fils bactériens conducteurs. Pour cela, une protéine chimère a été créée par l'association d'une protéine prion capable de s'auto-assembler en fibre et d'une métalloprotéine, une rubrédoxine, capable d'effectuer des transferts d'électrons. Comme montré par des techniques de microscopies et de spectroscopies (absorbance UV-visible et RPE), la protéine chimère est capable de former des fibres à la surface desquelles on retrouve les rubrédoxines. Les propriétés électroniques des nano-fils ont été caractérisées par des mesures courant-tension sur des échantillons secs et par électrochimie. Les mesures courant-tension ont montré que la conduction se faisait par plusieurs mécanismes. Les acides aminés aromatiques présents au centre du domaine prion semblent impliqués dans un des mécanismes de conduction. Les mesures électrochimiques ont quant à elles montré une conduction par sauts entre rubrédoxines. De plus, nous avons utilisé les nano-fils comme interface entre une enzyme, la laccase, et une électrode. Un courant électrocatalytique dû à la réduction de l'oxygène a été obtenu prouvant ainsi la capacité de nos nano-fils à agir comme médiateurs d'électrons. Les nano-fils conducteurs faits de protéines sont une structure intéressante pour comprendre le transport de charges dans les systèmes biologiques et sont également très prometteurs pour le développement de la bioélectronique et plus particulièrement de biocapteurs et de biopiles enzymatiques / The discovery of bacterial nanowires able to transport electrons on long range within biofilms and transfer them to electrodes is very promising for the development of bioelectronics and bio-electrochemical interfaces. However, their assembling process, their molecular composition and the electron transport mechanism are not fully understood yet. We took inspiration from bacterial nanowires to design conductive protein nanowires. We fused the sequence of a rubredoxin, an electron transfer iron-sulfur protein, to the sequence of HET-s(218-289), a prion domain that forms amyloid fibril by self-assembling under well-defined conditions. The resulting chimeric protein forms amyloid fibrils and displays redox proteins organized on the surface as shown by microscopy techniques and UV-Vis and EPR spectroscopy. Electron transfer mechanisms were studied in “dry state” current-voltage (I-V ) measurements and as hydrated film by electrochemistry. Dry state measurements allowed to evidence several conduction pathways with a possible role of aromatic residues in the conduction. Electrochemistry revealed electron transport by hopping between adjacent redox centers. This property allowed the use of our protein as mediator between a multicopper enzyme (laccase) and an electrode for electrocatalytic reduction of oxygen. These protein nanowires are interesting structures for the study of charge transport mechanisms in biological systems but are also very promising for the design of biosensors and enzymatic biofuel cells.

Nous avons développé un nano-fil conducteur, constitué uniquement de protéines et bio-inspiré des nano-fils bactériens conducteurs. Pour cela, une protéine chimère a été créée par l'association d'une protéine prion capable de s'auto-assembler en fibre et d'une métalloprotéine, une rubrédoxine, capable d'effectuer des transferts d'électrons. Comme montré par des techniques de microscopies et de spectroscopies (absorbance UV-visible et RPE), la protéine chimère est capable de former des fibres à la surface desquelles on retrouve les rubrédoxines. Les propriétés électroniques des nano-fils ont été caractérisées par des mesures courant-tension sur des échantillons secs et par électrochimie. Les mesures courant-tension ont montré que la conduction se faisait par plusieurs mécanismes. Les acides aminés aromatiques présents au centre du domaine prion semblent impliqués dans un des mécanismes de conduction. Les mesures électrochimiques ont quant à elles montré une conduction par sauts entre rubrédoxines. De plus, nous avons utilisé les nano-fils comme interface entre une enzyme, la laccase, et une électrode. Un courant électrocatalytique dû à la réduction de l'oxygène a été obtenu prouvant ainsi la capacité de nos nano-fils à agir comme médiateurs d'électrons. Les nano-fils conducteurs faits de protéines sont une structure intéressante pour comprendre le transport de charges dans les systèmes biologiques et sont également très prometteurs pour le développement de la bioélectronique et plus particulièrement de biocapteurs et de biopiles enzymatiques / The discovery of bacterial nanowires able to transport electrons on long range within biofilms and transfer them to electrodes is very promising for the development of bioelectronics and bio-electrochemical interfaces. However, their assembling process, their molecular composition and the electron transport mechanism are not fully understood yet. We took inspiration from bacterial nanowires to design conductive protein nanowires. We fused the sequence of a rubredoxin, an electron transfer iron-sulfur protein, to the sequence of HET-s(218-289), a prion domain that forms amyloid fibril by self-assembling under well-defined conditions. The resulting chimeric protein forms amyloid fibrils and displays redox proteins organized on the surface as shown by microscopy techniques and UV-Vis and EPR spectroscopy. Electron transfer mechanisms were studied in “dry state” current-voltage (I-V ) measurements and as hydrated film by electrochemistry. Dry state measurements allowed to evidence several conduction pathways with a possible role of aromatic residues in the conduction. Electrochemistry revealed electron transport by hopping between adjacent redox centers. This property allowed the use of our protein as mediator between a multicopper enzyme (laccase) and an electrode for electrocatalytic reduction of oxygen. These protein nanowires are interesting structures for the study of charge transport mechanisms in biological systems but are also very promising for the design of biosensors and enzymatic biofuel cells.

La sclérodermie est une maladie auto-immune du tissu conjonctif caractérisée par une fibrose de la peau et des organes internes. L'objectif principal du projet était d'utiliser un modèle de derme reconstruit par auto-assemblage pour vérifier la capacité intrinsèque des fibroblastes sclérodermiques à sécréter et organiser une matrice extracellulaire in vitro. L'utilisation de fibroblastes de peau lésée ou non, de patients atteints de sclérodermie diffuse depuis moins d'un an ou depuis plus de dix ans nous a permis d'établir une nouvelle hypothèse. Au début de la maladie, les fibroblastes nécessiteraient la présence d'un ou de facteurs extrinsèques pour induire une fibrose. Avec le temps et lorsque la maladie s'aggrave, les fibroblastes deviendraient indépendants de ces stimuli externes. De plus, le TGF-βl pourrait être un des facteurs importants pour induire des lésions fibrotiques. Finalement, ce même TGF-β1 pourrait être responsable des changements phénotypiques stables des fibroblastes au stade précoce de la maladie.

Cette thèse porte sur la réactivité de composés carbonyles sur le Pt(111) et sur l'étude de la liaison C-H---O=C induite par cette même surface dans le cadre d'un projet visant à expliquer le mécanisme de la réaction d'Orito. Cette réaction est très efficace en catalyse hétérogène pour l'hydrogénation énantiosélective des cétones activées sur le platine modifié chiralement. Par des méthodes analytiques de science des surfaces (spectroscopie vibrationnelle, spectrométrie de masse et microscopie à champ proche), les interactions réactif-surface, produit-surface, modificateur-surface, modificateur-réactif-surface, produit-produit-surface et réactif-réactif-surface ont été étudiées afin de mieux comprendre le comportement de ces composants dans le procédé catalytique. Il a ainsi été possible de préciser davantage le rôle du catalyseur, les géométries d'adsorption et la réactivité de différents réactifs et produits ainsi que la nature des interactions entre un modificateur et un réactif. De plus, des explications sur divers phénomènes observés dans la réaction d'Orito, notamment l'accélération de la réaction, ont pu être proposées suite aux résultats présentés. La liaison C-H---O=C tient un rôle majeur dans ces explications et dans les interactions avec le modificateur de surface. Il sera démontré que cette liaison hydrogène induite par la surface offre un potentiel très intéressant dans le domaine de l'autoassemblage. L'objectif des travaux présentés est de participer au développement de la catalyse hétérogène en étudiant le comportement de molécules ciblées et les interactions clés que ces dernières peuvent effectuer avec les autres composants du système réactionnel de la réaction d'Orito. Les conclusions de ces études pourront éventuellement permettre de créer des bases solides afin de développer davantage de systèmes catalytiques performants.

Les lipides de la couche cornée, la partie externe de la peau, sont connus pour jouer un rôle très important au niveau de la perméabilité de celle-ci. Une modification des propriétés de perméabilité est observée lors de certaines maladies cutanées, dont le psoriasis. La première partie du projet consistait à la caractérisation physicochimique de substituts sains et psoriasiques produits par la méthode d'auto-assemblage. Nos résultats ont permis de montrer que les substituts psoriasiques lésionnels présentent une couche cornée plus désorganisée que les contrôles. Nous avons également posé l'hypothèse que les propriétés de la peau non-lésionnelle des patients pourraient varier selon la gravité de la pathologie. De plus, des systèmes lipidiques modèles de la couche cornée ont été étudiés pour tenter d'établir le mécanisme d'action de l'acide oléique qui facilite la pénétration de molécules à travers la peau. Nos résultats démontrent une déstabilisation des membranes par l'acide oléique.

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