Ce travail avait pour but de développer un nouveau type de matériaux basés sur des complexes polyelectrolytes. Ces matériaux ont été obtenus par l’ultracentrifugation des complexes soit d’origine naturelle ou soit d’origine synthétique. Le système de polyélectrolytes ainsi que les conditions dans lesquelles ces matériaux peuvent être obtenus, suivi par le choix du système optimal pour des études complémentaires ont été décrits. PAA / PAH CoPECs a été choisi comme systèmes modèles de synthèse et ses propriétés physico chimiques (composition, structure et les propriétés mécaniques) ont été décrits ici en détails. Nous avons montré que les propriétés de la composition, la structure et mécanique de le PAA/PAH CoPECs peut être contrôlée en modifiant les conditions d’assemblage (pH, concentration des polyélectrolytes, [NaCl], la vitesse et la commande de l’addition). Également, les conditions environnementales ([NaCl] et pH) ont également été utilisés pour contrôler la taille des pores et porosité des PAA/PAH CoPECs . Enfin, leur capacité à servir de support pour l’immobilisation d’enzymes a également été étudiée. Nous avons optimise les conditions d’assemblage afin de maintenir le maximum quantité de l’enzyme dans le complexe. Nous avons également démontré que CoPECs fournit la stabilisation à long terme, ainsi que la protection de l’enzyme à des températures élevées. Ainsi, PAA / PAH CoPECs sont des candidats potentiels pour être utilisé comme des supports pour l’ingénierie tissulaire et pour l’immobilisation d’enzymes. / This work was aimed to the develop of a new kind of materials of polyelectrolytes complexes. These materials were obtained by the ultracentrifugation of complexes either of natural or synthetic origin. The polyelectrolytes systems as well as the conditions under which these materials could be obtained, followed by the selection of the optimal system to further studies was described. PAA/PAH CoPECs was chosen as synthetic model systems and its physiochemical properties (composition, structure and mechanical properties) were here deeply described. We demonstrated that the composition, structure and mechanical properties can be controlled by changing the assembly conditions (pH, concentration of the polyelectrolytes, [NaCl], speed and order of addition). Moreover, the environmental conditions ([NaCl] and pH) were also used to control the porosity and pores size of the PAA/PAH CoPECs. Finally their ability to serve as scaffold for enzyme immobilization was also studied. We optimized the assembly conditions to keep the maximum of the activity. We also demonstrated that the CoPECs structure provides the stabilization in long term as well as the protection of the enzyme from high temperature. Thus, PAA/PAH CoPECs is a potential and suitable candidates as scaffold for tissue engineering and for the immobilization of enzymes.

Melanina é um polímero constituído por uma grande heterogeneidade de monômeros tendo como característica comum a presença de grupos indóis. Por outro lado, a eumelanina produzida pela oxidação enzimática da tirosina é um polímero mais simples constituído principalmente de monômeros 5,6-dihidroxindol (DHI) e de indol-5,6-quinona (IQ). Tirosinase é a enzima chave na produção de melanina, sendo que a sua atividade cinética é medida em função da formação do intermediário dopacroma. Nanopartículas (NPs) de sílica são partículas nanométricas compostas de oxido de silício e são obtidas pelo processo sol-gel desenvolvido por Stöber de hidrólise e condensação de tetraetilortosilicato (TEOS), usando etanol como solvente em meio alcalino. As NPs foram funcionalizadas com 3-Aminopropiltrietoxissilano (ATPES) e depois com glutaraldeído. Este último permitiu a imobilização da tirosinase na superfície da sílica. Caracterizamos as NPs antes e após a reação da enzima, a atividade catalítica da enzima ligada à NP e o mecanismos de formação de melanina na superfície da sílica. As NPs foram caracterizadas por espectrofotometria de absorção e de reflectância, termogravimetria e microscopia eletrônica. A síntese da NP de sílica retornou partículas esféricas com 55nm de diâmetro e a funcionalização da partícula mostrou modificar eficientemente a sua superfície. A imobilização da tirosinase por ligação covalente foi de 99,5% contra 0,5% da adsorção física. A atividade da tirosinase foi caracterizada pela formação de dopacroma. O Km da enzima imobilizada não sofreu alteração em comparação com a tirosinase livre, mas a eficiência catalítica - que considera a eficiência recuperada - foi de apenas 1/3 para a enzima ligada covalentemente, significando que 2/3 das enzimas ligadas não estão ativas. Obtivemos NPs revestidas com melanina a partir de oxidação de tirosina solubilizada em duas preparações: NP com tirosinase ligada covalentemente na superfície e NP funcionalizada com glutaraldeido dispersa em solução de DHI e IQ. O revestimento de melanina foi na forma de um filme fino com espessura ~1,9nm, conferindo perfil de absorção luminosa equivalente ao da própria melanina. Mostramos que o mecanismo de polimerização passa pela oxidação da tirosina pela tirosinase, que gera intermediários oxidados (principalmente DHI e IQ) que vão para solução (mesmo quando a tirosinase está ligada covalentemente na sílica). Estes intermediários ligam-se ao glutaraldeido e a superfície da sílica passa a funcionar como ambiente de polimerização da melanina. / Melanin is a polymer consisting of a large heterogeneity of monomers having as a common feature the presence of indole groups. Contrarily, eumelanin produced by enzymatic oxidation of tyrosine is a simpler polymer consisting mainly of 5,6-dihidroxindol (DHI) and indole-5,6-quinone (IQ) monomers. Tyrosinase is the key enzyme in melanin production, and its kinetic activity is measured by the formation of the intermediate dopacroma. Nanoparticles (NPs) are made of silica nanoparticles of silicon oxide and are obtained by sol-gel method developed by Stöber of hydrolysis and condensation of tetraethylorthosilicate (TEOS), using ethanol as solvent in an alkaline medium. NPs were functionalized with 3-Aminopropyltriethoxysilane (ATPES) and then with glutaraldehyde. The latter allows the immobilization of tyrosinase on the silica surface. We characterized NPs before and after the reaction of the enzyme, the catalytic activity of the enzyme bound to the NP and melanin-forming mechanisms on the silica surface. NPs were characterized by absorption spectrophotometry and reflectance, electron microscopy and thermogravimetric analysis. The synthesis of silica NP returned spherical particles of 55nm diameter and particle functionalization showed efficiently modify its surface. The immobilization of tyrosinase by covalent bond was 99.5% versus 0.5% by physical adsorption. The activity of tyrosinase was characterized by the formation of dopacroma. The Km of the immobilized enzyme did not change compared to the free tyrosinase, but the catalytic efficiency - considering the recovered efficiently - was only 1/3 for the enzyme covalently bound, meaning that 2/3 of the enzymes are not connected active. We obtained melanin coated NPs from tyrosine oxidation in two preparations: NP with covalently bound tyrosinase in the NP surface and NP functionalized with glutaraldehyde dispersed in DHI and IQ solution. The melanin coating was in the form of a thin film with the thickness of ~ 1,9 nm, giving light absorption profile equivalent to that of melanin itself. We showed that the polymerization mechanism involves the oxidation of tyrosine by tyrosinase, which generates oxidized intermediates (especially DHI and lQ) that go into solution (even when tyrosinase is covalently bound to the silica). These intermediates bind the glutaraldehyde and the surface of the silica begins to function as an environment for melanin polymerization.

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Os dispositivos biossensores foram primeiramente pesquisados por Clark e Lyons, em 1962, visando medir o nível de glicemia. Atualmente, há uma popularização dos medidores de glicemia e diversas tecnologias foram desenvolvidas, principalmente, para aplicações em diagnósticos médicos e monitoramento ambiental. No entanto, há uma ampla quantidade de aplicações para biossensores ainda não disponível no mercado. A imobilização de espécies bioativas que interagem diretamente com o analito, chamada de superfície bioativa, é frequentemente considerada a etapa mais difícil no desenvolvimento de biossensores para novas aplicações. O objetivo deste trabalho é demonstrar a caracterização da camada bioativa desenvolvida pela técnica de construção de camadas auto-organizadas usando o princípio da adsorção eletrostática. Para isto, foram utilizadas três diferentes concentrações de soluções compostas por ligações covalentes entre nanotubos de carbono de paredes múltiplas e três diferentes biomateriais, Polietilenoimina, Ácido Desoxirribonucléico e enzimas do tipo Hidrolase de Organofosforados. As diferentes soluções polieletrolíticas foram caracterizadas pela técnica de ressonância de plasmons de superfície e simultaneamente formaram camadas auto-organizadas na superfície de um eletrodo de carbono vítreo. A atividade das enzimas foi analisada por voltametria cíclica para as diferentes concentrações das soluções utilizadas. Os resultados mostraram que a caracterização por ressonância de plasmons de superfície promove o controle da adsorção eletrostática. A variação do ângulo de ressonância de plasmons de superfície corresponde à intensidade e à saturação das interações eletrostáticas entre as camadas. Biossensores desenvolvidos com soluções de maior concentração, consequentemente, ampliaram os limites de detecção e elevaram a resolução do sinal elétrico. Em aplicações para medir baixas concentrações do analito, o adequado controle das concentrações das soluções poli eletrolíticas reduz os custos no desenvolvimento de biossensores especialmente, com relação ao custo de enzimas isoladas. / The biosensor devices were first researched by Clark and Lyons in 1962, aiming to measure the blood glucose level. Currently, there is a popularization of blood glucose meters and several technologies have been developed mainly for applications in medical diagnostics and environmental monitoring. However, there is a wide range of applications for biosensors not yet available. The immobilization of bioactive species that interact directly with the analyte, called bioactive surface, is often considered the most difficult step in the biosensors development for new applications. The objective of this work is to demonstrate the characterization of the bioactive surface developed by self-assembled monolayers technique using the electrostatic adsorption principle. For this, we used three different concentrations of solutions composed of covalent bonds between multi-walled carbon nanotubes and three different biomaterials, Polyethyleneimine, Deoxyribonucleic Acid and Organophosphorous Hydrolase enzymes. These enzymes catalyze the hydrolysis of phosphorus compounds such as organophosphorous neurotoxins. The different polyelectrolyte solutions were characterized by the technique of surface plasmon resonance, and simultaneously, self-assembled monolayers were formed on the surface of a glassy carbon electrode. The enzymes activity was analyzed by cyclic voltammetry for the different concentrations of the solutions used. The results showed that the surface plasmon resonance characterization promote the control of electrostatic adsorption. The variation of the surface plasmon resonance angle corresponds the intensity and saturation of electrostatic interactions between the layers. Biosensors developed with solutions of higher concentration, consequently, widened the detection limits, and increased the resolution of the electrical signal. In applications to measure low concentrations of analyte, adequate control of the concentrations of polyelectrolytes solutions reduces costs in the development of biosensors especially, the cost of isolated enzymes.

Os dispositivos biossensores foram primeiramente pesquisados por Clark e Lyons, em 1962, visando medir o nível de glicemia. Atualmente, há uma popularização dos medidores de glicemia e diversas tecnologias foram desenvolvidas, principalmente, para aplicações em diagnósticos médicos e monitoramento ambiental. No entanto, há uma ampla quantidade de aplicações para biossensores ainda não disponível no mercado. A imobilização de espécies bioativas que interagem diretamente com o analito, chamada de superfície bioativa, é frequentemente considerada a etapa mais difícil no desenvolvimento de biossensores para novas aplicações. O objetivo deste trabalho é demonstrar a caracterização da camada bioativa desenvolvida pela técnica de construção de camadas auto-organizadas usando o princípio da adsorção eletrostática. Para isto, foram utilizadas três diferentes concentrações de soluções compostas por ligações covalentes entre nanotubos de carbono de paredes múltiplas e três diferentes biomateriais, Polietilenoimina, Ácido Desoxirribonucléico e enzimas do tipo Hidrolase de Organofosforados. As diferentes soluções polieletrolíticas foram caracterizadas pela técnica de ressonância de plasmons de superfície e simultaneamente formaram camadas auto-organizadas na superfície de um eletrodo de carbono vítreo. A atividade das enzimas foi analisada por voltametria cíclica para as diferentes concentrações das soluções utilizadas. Os resultados mostraram que a caracterização por ressonância de plasmons de superfície promove o controle da adsorção eletrostática. A variação do ângulo de ressonância de plasmons de superfície corresponde à intensidade e à saturação das interações eletrostáticas entre as camadas. Biossensores desenvolvidos com soluções de maior concentração, consequentemente, ampliaram os limites de detecção e elevaram a resolução do sinal elétrico. Em aplicações para medir baixas concentrações do analito, o adequado controle das concentrações das soluções poli eletrolíticas reduz os custos no desenvolvimento de biossensores especialmente, com relação ao custo de enzimas isoladas. / The biosensor devices were first researched by Clark and Lyons in 1962, aiming to measure the blood glucose level. Currently, there is a popularization of blood glucose meters and several technologies have been developed mainly for applications in medical diagnostics and environmental monitoring. However, there is a wide range of applications for biosensors not yet available. The immobilization of bioactive species that interact directly with the analyte, called bioactive surface, is often considered the most difficult step in the biosensors development for new applications. The objective of this work is to demonstrate the characterization of the bioactive surface developed by self-assembled monolayers technique using the electrostatic adsorption principle. For this, we used three different concentrations of solutions composed of covalent bonds between multi-walled carbon nanotubes and three different biomaterials, Polyethyleneimine, Deoxyribonucleic Acid and Organophosphorous Hydrolase enzymes. These enzymes catalyze the hydrolysis of phosphorus compounds such as organophosphorous neurotoxins. The different polyelectrolyte solutions were characterized by the technique of surface plasmon resonance, and simultaneously, self-assembled monolayers were formed on the surface of a glassy carbon electrode. The enzymes activity was analyzed by cyclic voltammetry for the different concentrations of the solutions used. The results showed that the surface plasmon resonance characterization promote the control of electrostatic adsorption. The variation of the surface plasmon resonance angle corresponds the intensity and saturation of electrostatic interactions between the layers. Biosensors developed with solutions of higher concentration, consequently, widened the detection limits, and increased the resolution of the electrical signal. In applications to measure low concentrations of analyte, adequate control of the concentrations of polyelectrolytes solutions reduces costs in the development of biosensors especially, the cost of isolated enzymes.

As enzimas desempenham papel fisiológico fundamental nos organismos, seja em condições normais e patológicas, o que as tornam atrativos alvos para intervenções terapêuticas. Pequenas moléculas capazes de inibir enzimas alvos são utilizadas para o tratamento de diversas doenças inflamatórias, câncer, AIDS, entre outras. Contudo, a identificação de pequenas moléculas inibidores ainda é uma etapa limitante no desenvolvimento de fármacos. Nesse contexto, o aprimoramento e novos ensaios robustos e confiáveis para acelerar a descoberta e a caracterização de novos inibidores é de extrema relevância. Nesta tese apresentamos o desenvolvimento de apropriados métodos para a quantificação direta da atividade das enzimas alvos Nucleosídeo Difosfato Quinase B (NDKb), humana (NME2) e de Leishmania major (LmNDKb), livres em solução ou imobilizadas em colunas capilares (ICER). A separação dos produtos e substratos da reação foi realizada por cromatografia de par iônico, que possibilitou a quantificação direta da atividade enzimática da NDKb livre em solução, método 1D-LC-UV. Já para a quantificação da atividade das enzimas imobilizadas foi elaborado um método on-line ICER-LC-UV, no qual a reação enzimática do ICER foi transferida à coluna analítica, permitindo a separação e quantificação da atividade de fosfotransferência. Utilizando esses métodos foi possível determinar o pH ótimo e os parâmetros cinéticos das enzimas livres e imobilizadas. Inibidores de NDKb de diferentes potências e mecanismos de ação foram utilizados para modulação do sistema ICER-LC-UV como ensaio de triagem de inibidores. O (-)-Epicatequina galato (ECG) foi utilizado como prova de conceito, para validar a aplicação do método on-line ICER-LC-UV na identificação e caracterização de inibidores para as enzimas alvo NME2 e LmNDKb. Em suma, a quantificação direta associada ao uso de enzimas imobilizadas representa um grande avanço aos métodos consolidados para o monitoramento da atividade enzimática e triagem de inibidores das enzimas alvo. / Enzymes play a key physiological role in organisms, either under normal and pathological conditions, which make them attractive targets for therapeutic interventions. Small molecules capable to inhibit specific target enzymes are used for the treatment of several inflammatory diseases, cancer, AIDS, among others. However, to identify small inhibitory molecules is still a limiting step in drugs discovery. In this context, the improvement and development of robust and reliable novel assays to accelerate the discovery and characterization of new inhibitors have become extremely relevant. This study describes an appropriate direct method to quantify the enzymatic activity of Nucleoside Diphosphate Kinase B (NDKb) from human (NME2) and Leishmania major (LmNDKb). It can be applied to free enzyme in solution or immobilized enzyme into silica capillary (ICER). The separation of both the substrates and products was achieved using ion-pair chromatography, it can be applied to direct quantification of free NDKb activity, method 1D-LC-UV. In order to quantify the activity of the immobilized enzymes, an on-line ICER-LC-UV method was developed. Initially, the enzymatic catalysis occurred into the ICER. Sequentially, the reaction mixture was transferred to an analytical column, where analytes were separated. From this method, it was possible to determine the optimum pH and kinetic parameters for the immobilized enzymes. Well stablished NDKb inhibitors with different strenght and mechanisms of action were used to modulate the on-line ICER-LC-UV method as an inhibitor screening assay. (-)-Epicatechin gallate was used as proof of concept in order to validate the application of the on-line ICER-LC-UV method to identify and characterize the target\'s enzymes NME2 and LmNDKb inhibitors. In summary, the direct quantification method coupled to the immobilized enzymes increases the likelihood of identifying the enzymatic activity and screening of inhibitors of the target enzymes when compared methods well described in the literature.

Depuis peu, des travaux ont montré que chez l’Homme, la transcétolase (TK, EC 2.2.1.1.) dont le cofacteur est la thiamine diphosphate (forme active de la vitamine B1), est une enzyme impliquée dans de nombreuses maladies telles que, le diabète, certains cancers, ou encore des maladies neurologiques, comme le syndrome de Wernicke-Korsakoff et la maladie d’Alzheimer. Pour des applications thérapeutiques, des inhibiteurs spécifiques de cette enzyme sont actuellement conçus et synthétisés dans les milieux académiques et industriels. Afin de déterminer l’activité de la TK (dans un but de diagnostic) d’une part, et de détecter des inhibiteurs potentiels de cette enzyme (dans un but thérapeutique) d’autre part, il est nécessaire de disposer de tests alliant rapidité, sensibilité et faible coût. Nous avons envisagé d’utiliser des biocapteurs ampérométriques qui combinent l’ensemble de ces avantages, et qui, de plus, n’ont jamais été mis en oeuvre avec la TK. Pour la détermination de l’activité des TK d’E. coli et humaine libres en solution, nous avons tout d’abord élaboré un premier biocapteur à galactose oxydase (GAOx, EC 1.1.3.9), dans lequel cette enzyme est immobilisée sur la laponite. Puis, dans le but de detecter des inhibiteurs de la TK, avec un système réutilisable, nous avons developpé un biocapteur à GAOx-TK d’E. coli, les deux enzymes étant co-immobilisées à la surface de l’électrode. Pour cela la TK a été immobilisée dans des Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL). Ce biocapteur bicouche et bi-enzymatique GAOx-TK, nous a permis d’évaluer l’effet d’inhibiteurs, tels que différents analogues du cofacteur et de substrats pris comme modèles. / Some recent studies have shown that human transketolase (TK, EC 2.2.1.1.), which thiamine diphosphate (active form of vitamin B1) is the cofactor, is involved in numerous disease such as diabete, some cancers and neurodegenerative diseases as Alzheimer’s disease and Wernicke-Korsakoff syndrome. For therapeutic purposes, TK inhibitors have been designed and synthesized in both academic and industrial fields. To determine TK activity (diagnostic) on the one hand, and to detect potential inhibitors of this enzyme (therapeutic) on the other hand, it is necessary to develop fast, sensitive and low cost assays. In this context, we designed some original amperometric biosensors that combine these advantages and were never studied with TK from now. We performed a first galactose oxidase (GAOx, EC 1.1.3.9) biosensor for E. coli and human TK activities detection. For that purpose, GAOx was immobilized on laponite matrix. Then, we designed a GAOx-TK biosensor by co-immobilization of GAOX and TK on the electrode surface that enabled the detection TK inhibitors with a reusable system. Thence, TK was immobilized in Layered Double Hydroxides (HDL). This bilayer and bi-enzymic biosensors, allowed us to determine the inhibitor potencies of several cofactors and substrates analogues as model compounds.