Tesis por compendio / La presente tesis doctoral titulada “Complejos metálicos de transición para la detección cromo-fluorogénica de monóxido de carbono en aplicaciones medioambientales y biomédicas” se basa en la utilización de los principios de la Química de la Coordinación para el diseño y desarrollo de nuevos compuestos químicos capaces de detectar monóxido de carbono en aire mediante cambios de color y/o de fluorescencia. La primera familia de sondas colorimétricas que se presenta en el capítulo 3 está basada en unos complejos dinucleares de rodio hexacoordinados con ligandos trifenilfosfina y distintos ácidos carboxílicos. Primeramente, se expone el trabajo desarrollado con el complejo A de fórmula [Rh2(C6H4PPh2)2(O2CCH3)2]·(HO2CCH3)2 capaz de detectar selectivamente y con alta sensibilidad CO tanto en disolución como en aire. En presencia de CO se produce un cambio de color de morado a amarillo, debido a la coordinación del CO en las posiciones axiales del complejo. A continuación se amplia el trabajo con una colección de cinco complejos de rodio (II) B-F adsorbidos en gel de sílice y se estudia su uso como sondas para la detección de CO en aire mediante cambios de color visibles a simple vista. En tercer lugar, se procede a depositar los complejos en papel de celulosa para facilitar su aplicación en la detección práctica de CO. Se elige el complejo D [Rh2[(C6H4)P(C6H5)2]2(O2CCF3)2]· (CF3CO2H)2 como el más sensible a CO en este nuevo soporte y se inserta dentro de un sistema opto-electrónico capaz de cuantificar el CO presente en el aire; mediante la transducción del cambio de color del complejo en una señal eléctrica, y esta señal en un valor de concentración de CO determinado. Finalmente, teniendo en cuenta el papel del CO como agente terapéutico y aprovechando que la coordinación de CO en los complejos de rodio presentados es reversible; se seleccionan los dos complejos dicarbonílicos con cinéticas de liberación de CO en disolución más lentas A·(CO)2 y F·(CO)2 de fórmulas [Rh2[(C6H4)P(C6H5)2]2(O2CCH3)2]·(CO)2 y [Rh2[(m-CH3C6H3)P(m- CH3C6H4)2]2(O2CCH3)2]·(CO)2) como posibles moléculas liberadoras de CO (CO-RMs) a utilizar en estudios sobre inhibición de agentes indicadores de inflamación celular (ver capítulo 4). En la segunda parte de esta tesis doctoral se ha preparado una colección de vinil complejos de rutenio y de osmio G-K funcionalizados con grupos dadores de electrones (pireno, tolueno y benceno) y con un grupo aceptor de electrones (2,1,3-benzotiadiazol (BTD)). Estos complejos son coloreados, ya que presentan una banda de transferencia de carga. En presencia de CO se produce el desplazamiento del BTD con el consiguiente cambio de color (ver capítulo 5). En primer lugar, para posibilitar la detección fluorogénica de CO, se ha preparado el complejo G mediante el anclaje del fluoróforo pirenilvinilo como ligando dador de electrones del complejo de rutenio (II). En presencia de CO y mediante el desplazamiento del BTD se consigue un aumento de fluorescencia observable incluso a simple vista. Para concluir la segunda parte de la tesis se han sintetizado cuatro complejos más, H-K, dos de rutenio y dos de osmio; que han sido utilizados también para detectar CO en aire. Para la preparación de estas sondas también se ha utilizado gel de sílice como soporte. En presencia de CO se produce el desplazamiento del BTD (colorante) y los complejos metálicos cambian de color, permitiendo así la semicuantificación del CO en los rangos de concentración en que el CO es altamente tóxico incluso para exposiciones cortas. / Moragues Pons, ME. (2014). Transition metal complexes for chromo-fluorogenic detection of carbon monoxide in environmental and biomedical applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48453 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

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Master of Science / Food Science Institute / Daniel Y.C. Fung / ECA Check® Easygel® Plus (ECA) is a pectin-based gelling system that reacts with calcium ions bound to a pre-treated Petri dish, eliminating autoclaving prior to use. It can chromogenically and/or fluorogenically distinguish three organisms: Escherichia coli, Salmonella spp., and coliforms. This study compared the recovery of these organisms to conventional media using stock culture, inoculated, and non-inoculated ground beef and ground turkey. ECA was compared to Violet Red Bile Agar (VRB), Violet Red Bile Agar with 4-methylumbelliferyl-β-D-glucuronide (VRB-MUG), Xylose Lysine Desoxycholate Agar (XLD), Escherichia coli/Coliform (ECC) Count Plate Petrifilm™, and Tryptic Soy Agar (TSA). The stock culture recovery of Salmonella Typhimurium for ECA, TSA, and XLD were 8.62, 8.69, and 6.82 log CFU/ml, respectively. There was very little difference between the media in the recovery of Escherichia coli and Cronobacter spp., formerly referred to as Enterobacter sakazakii. Mean counts of presumptive E. coli in ground beef were 7.24 and 7.41 logs for ECA and VRB-MUG. Total coliform mean counts were 7.43, 7.63, and 7.37 logs for ECA, Petrifilm™, and VRB. Presumptive Salmonella means were 6.68 and 6.21 logs on ECA and XLD, while total aerobic counts were 7.84 and 6.51 logs on ECA and TSA. At 6.72 logs, ECA recovered considerably more Salmonella than XLD (5.71 logs) from the inoculated ground turkey; ECA recovered 7.62 logs total aerobic count which was significantly more than TSA at 6.89 logs. Total counts for both non-inoculated ground meats resulted in significant differences between TSA recovery and all other media. ECA also recovered significantly more than Petrifilm™ from both non-inoculated foods. The randomly selected organisms recovered from ECA were identified using BBL™ Crystal™ Enteric/Nonfermenter ID or Gram-Positive kits, and correlated precisely to the chromogenic reaction of the colonies. ECA Check® Easygel® was efficient, less labor-intensive, comparable to, and, in some instances, better than conventional media at recovering target organisms.

Cette thèse traite de la conception de sondes fluorogènes incorporant des bras espaceurs auto-effondrables répondant à l’activité enzymatique.Ces travaux commencent par la synthèse d’une sonde modèle à trois composantes pour détecter l’activité de la Leucine AminoPeptidase (LAP). Le cœur de cette sonde est un espaceur cyclisant efficace (t1/2 cyclisation≈7sec) qui unit un substrat enzymatique à un fluorophore précipitant avec une stabilité exemplaire (pas de dégradation sur 15h d’incubation). Appliquée sur des cellules vivantes, cette sonde produit des précipités fluorescents qui marquent durablement les cellules. L’élaboration de sondes pour d’autres enzymes a cependant soulevé l’importance d’abaisser le seuil de solubilité du fluorophore.Cette thèse se penche également sur deux nouvelles conceptions de sondes à la spécificité améliorée. Alors que la première tente de réutiliser les efforts déployés pour obtenir des inhibiteurs hautement sélectifs, la seconde est basée sur deux transformations successives par deux enzymes indépendantes. Si la première solution a échoué jusqu’alors, la seconde nous a effectivement permis de différencier des populations cellulaires.Enfin, ce manuscrit détaille le développement d’une nouvelle génération d’espaceur permettant l’affinement de certaines propriétés des sondes. Focalisés sur l’amélioration de l’hydrosolubilité, les premiers exemples sont très prometteurs. Particulièrement, une sonde pour Péncilline G Amidase possède une hydrosolubilité 3500 fois supérieure à celle de son analogue commercial. Véritables multiprises chimiques, ces espaceurs devraient permettent de relever certains des grands défis de la chimie médicinale moderne. / This thesis concerns the design and evaluation of fluorogenic molecular probes that respond to enzyme activity via the help of self-immolative spacers.This work starts with the synthesis of a model three-component probe that detects the activity of Leucine AminoPeptidase (LAP). The heart of this probe is an efficient cyclizing spacer (t1/2 cyclization≈7sec) that links a specific enzyme substrate to a precipitating fluorophore with an exemplary stability (no false positive signal over 15h incubation). When incubated with live cells, this construct is processed by active LAP to yield fluorescent precipitates which lead to long-term cell-tagging. However, probes susceptible to other enzyme activity have indicated the interest in further reduction of the solubility threshold of ELF®97.This manuscript also describes two new strategies to improve the specificity of the probes. While the first tries to take advantage of the efforts made to develop highly selective inhibitors, the second is based on two consecutive transformations by two independent enzymes. The first strategy has not yet been successfully applied in our hands, but the second has led to a first prototype that allowed discriminating between different cell lines.Lastly, this thesis relates the design and synthesis of a new generation of cyclizing spacer which opens up a great number of possibilities to optimize probes’ properties. For example, a probe targeting Pencilline G Amidase and containing such a spacer possesses a hydrosolubility 3500 times higher than its commercial analogue. As true “molecular hubs”, these spacers may turn out to address the big challenges of modern imaging agent and prodrug development.

Cette thèse de doctorat traite de la conception et de l’évaluation de sondes magnétogènes et fluorogènes pour la détection in vivo d’activités enzymatiques.Des molécules capables d’acquérir un moment magnétique à partir d’un état diamagnétique et en réponse à l’action d’une enzyme seraient d’un grand intérêt pour l’imagerie moléculaire par résonance magnétique. Deux exemples de telles sondes magnétogéniques avaient été mis au point précédemment, l’un pouvant opérer en conditions physiologiques, l’autre nécessitant une acidification du milieu pour devenir paramagnétique. En préparant de nouveaux analogues du premier exemple, j’ai pu trouver une molécule dont la fragmentation a lieu trois fois plus rapidement que la molécule originale. J’ai ensuite travaillé à la conception de sondes dérivées du deuxième exemple et répondant à des activités enzymatiques ; de telles molécules permettraient de réaliser la quantification in vitro d’une activité enzymatique à des fins diagnostiques. À ce titre, j’ai participé à l’élaboration de deux preuves de concept de dispositifs dédiés à la mesure du temps de relaxation longitudinale de micro-volumes. J’ai enfin entamé le développement de nouveaux complexes s’inspirant du second exemple mais capables de fonctionner dans le milieu biologique.Le deuxième volet de mes travaux porte sur la réalisation de sondes fluorogènes précipitantes pour des activités glycosidases. Une sonde pour la leucine aminopeptidase profitant des propriétés exceptionnelles de stabilité, de luminescence et de solubilité du fluorophore ELF®-97 avaient démontré une grande efficacité pour marquer rapidement des cellules HeLa. J’ai mis au point une nouvelle architecture de sondes qui permet le ciblage de glycosidases via l’utilisation d’un tandem d’espaceurs cyclisants. Deux sondes ont été préparées, l’une pour la beta-galactosidase, l’autre pour la cellulase. La première a prouvé son bon fonctionnement pour marquer les cellules exprimant l’enzyme en bénéficiant d’une grande sensibilité. La seconde a pu être utilisée pour quantifier l’activité cellulase sécrétée par des levures, avec l’objectif d’obtenir un moyen économiquement intéressant de produire du bioéthanol à partir des déchets végétaux. / This PhD thesis deals with the design and evaluation of magnetogenic and fluorogenic probes for the in vivo detection of enzyme activities.Molecules capable of switching from a diamagnetic to a paramagnetic state in response to an enzyme stimulus would be of great interest for molecular magnetic resonance imaging. Two examples of such magnetogenic probes had been designed in a previous work : one can operate in physiological conditions, whereas the other needs an acidification of the water medium to become paramagnetic. I prepared new analogues of the first probe ; one molecule displayed fragmentation three times faster than the original compound. Then I designed and synthesized probes derived from the second example and responsive to enzyme activities ; such molecules are suitable for the in vitro quantification of enzyme biomarkers for diagnosis purposes. I participated to the conception of two proofs of concept of devices dedicated to the measurement of longitudinal relaxation times in micro-volumes. Finally, I started the development of a new family of molecules inspired by the second example but able to work at the physiological pH.I also worked on precipitating fluorogenic probes for the detection of glycosidase activities. A former probe for leucine aminopeptidase, based on the exceptional characteristics of the fluorophore ELF-97 in terms of solubility, luminescence and stability, had demonstrated great efficiency to label live HeLa cells. I designed a new architecture of probes responding to glycosidases via an original tandem of selfimmolative spacers. Two probes have been prepared, one targets beta-galactosidase and the second detects cellulase. The first probe performed a fast and sensitive labelling of beta-galactosidase-expressing cells. The second molecule was employed successfully to quantify the cellulase activity secreted by yeasts, which will be useful for the high-throughput screening of yeasts capable of producing bioethanol from vegetal waste.

L'imagerie de biomolécules, et plus particulièrement des glycanes, au sein d'organismes vivants, représente un incroyable challenge. Cependant, des progrès significatifs ont été réalisés ces dix dernières années grâce au développement de la stratégie du rapporteur chimique bioorthogonal. Cette technique implique, dans un premier temps, l'incorporation d'une fonctionnalité chimique non native (rapporteur) au sein de biomolécules complexes. Ce rapporteur peut ensuite réagir sélectivement avec une sonde moléculaire spécifique permettant ainsi la détection de la biomolécule ciblée. Afin d'imager ces biomolécules en temps réel, les sondes fluorogènes, des réactifs non fluorescents qui deviennent fluorescents après réaction avec le rapporteur chimique, ont été récemment développées. Ces dernières années, la cycloaddition 1,3-dipolaire sans métaux, entre les cylooctynes et les azotures, a été élégamment employée comme réaction bioorthogonale pour l'imagerie de biomolécules au sein d'organismes vivants. Cependant, l'azoture présente certaines limitations, notamment il peut être réduit par les thiols cellulaires. En conséquence, nous avons étudié l'utilisation de 1,3-dipôles plus stables, en tant que nouveaux rapporteurs chimiques bioorthogonaux pour l'imagerie de biomolécules par fluorescence. De plus, nous avons aussi développé de nouvelles sondes fluorogènes bioorthogonales ayant de bonnes propriétés de fluorescence, telles que de hautes valeurs de rendement quantique et des longueurs d'ondes d'émission déplacées dans le rouge, pour une potentielle application chez l'animal. / Imaging biomolecules, such as glycans, in living systems remains a formidable chemical challenge. However, significant progress has been made over the past ten years, with the ground-breaking development of the bioorthogonal chemical reporter strategy. In this context, complex biomolecules are fitted with a non-native chemical functionality (reporter) that can react selectively with a complementary bioorthogonal probe for detection. In order to image these biomolecules in real time, fluorogenic probes, non fluorescent reagents that produce highly fluorescent products, have recently been developed. This last decade, the metal-free 1,3-dipolar cycloaddition between cyclooctynes and azides have been elegantly employed for biomolecules imaging in living systems. However, azides suffer from limitations such as their reduction by endogenous cellular thiols. Consequently, we have investigated the use of more stable 1,3-dipoles as new chemical reporters for fluorescent biomolecule imaging. In addition, we also developed novel bioorthogonal fluorogenic probes with improved fluorescence properties such as high quantum yields and red-shifted fluorescence emission for potential applications in living animals.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-23Bitstream added on 2014-06-13T18:49:55Z : No. of bitstreams: 1 zanphorlin_lm_me_sjrp.pdf: 945446 bytes, checksum: 9959e6f0472c3ac5cdce9a3374c74387 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fungos termofílicos têm despertado grande interesse acadêmico e industrial por produzirem uma variedade de enzimas termoestáveis com potenciais aplicações em processos biotecnológicos como biocatálise nas indústrias de couro, farmacêutica, têxtil e alimentícia, e na preparação de produtos de limpeza e cosméticos. Particularmente, as proteases, além de participarem de inúmeros processos fisiológicos vitais como vias metabólicas, hemostasia e sinalização celular, também representam hoje cerca de 60% do mercado mundial de enzimas. Neste trabalho, descrevemos a produção, purificação e caracterização bioquímica de uma serino-protease produzida por um fungo termofílico do gênero Myceliophthora. As taxas de atividade proteolítica foram avaliadas através de fermentação em meio sólido (FES) e submerso (FSM) e observou-se um rendimento na atividade proteolítica 4,5 vezes maior para o meio sólido. A enzima bruta obtida por ambos os procedimentos (FES e FSM) exibiu a mesma temperatura ótima de 50 ºC, porém em relação ao pH ótimo houve um deslocamento de 7 (FSM) para 9 (FES) sugerindo que o perfil enzimático do fungo difere de acordo com suas condições de fermentação. Baseado nesses resultados prosseguiu-se os estudos com o extrato bruto obtido por FES. A imobilização da enzima bruta em esferas de alginato de cálcio resultou no aumento da temperatura ótima e na estabilidade térmica quando comparado com a enzima livre. O extrato bruto obtido por FES foi, então, fracionado por métodos cromatográficos como exclusão molecular e troca-iônica que resultaram na protease pura com peso molecular de 28,2 kDa determinado por espectrometria de massa. A protease pura demonstrou pH ótimo de 9,0 e temperatura ótima de 45 °C que corroboram... / Thermophilic fungi have attracted great academic and industrial interest because they produce a variety of thermostable enzymes with potential applications in biotechnological processes such as biocatalysis in the industries of leather, pharmaceutical, textile and food, and the preparation of detergents and cosmetics. In particular, proteases not only participate in many vital physiological processes such as metabolic pathways, cell signaling and homeostasis, but also currently represent about 60% of the world market of enzymes. In this work, we describe the production, purification and biochemical characterization of a serine protease produced by a thermophilic fungus of the genus Myceliophthora. The levels of proteolytic activity were evaluated either by solid fermentation (SSF) and submerged (SmF). The crude enzyme obtained by both procedures (SSF and SmF) exhibited similar optimum temperature of around 50 ºC, but in relation to the optimum pH was shifted of 7 (SmF) to 9 (SSF), suggesting that the enzymatic profile of the fungus differs from according to its fermentation conditions. Based on these results, the studies were followed with crude extract obtained by SSF. The immobilized enzyme on beads of calcium alginate resulted in increased optimum temperature and thermal stability when compared to the free enzyme. The crude extract obtained by SSF was then fractionated by chromatographic methods including molecular exclusion and ion-exchange that resulted in the pure protease with molecular weight of 28.2 kDa as determined by mass spectrometry. The pure protease showed optimum pH of 9.0 and optimum temperature of 45 °C that corroborate to the preliminary characterization of the crude extract. Inhibition tests resulted in complete inhibition by PMSF, a canonical... (Complete abstract click electronic access below)

Rhomboids are intramembrane serine proteases that belong to the evolutionarily widespread rhomboid superfamily. Rhomboids developed a slightly different catalytic mechanism compared to classical serine proteases; they utilise a catalytic dyad (Ser/His) instead of the common triad (Ser/His/Asp), and the rhomboid active site is buried in the membrane. This, coupled with their hydrophobicity, makes them quite difficult to study. Therefore, even though they are known to be involved in several important biological processes it is still not clear how exactly most of them are involved in the regulation of or in the pathologies of diseases related to these processes (such as malaria, Parkinson's disease or cancer). Our understanding is hindered by the lack of tools for their characterisation both in vitro and in vivo. In my thesis I present new fluorogenic substrates based on the LacYTM2 sequence, which is hydrolysed by several different rhomboid proteases. Using Förster resonance energy transfer (FRET)-based methods, these substrates are suitable for continuous monitoring of rhomboid activity in vitro. Modifications in the P5-P1 residues can improve selectivity for a specific rhomboid, the choice of FRET pair of fluorophores that absorbes light of longer wavelengths makes them suitable for high throughput...

Le marquage protéique par fluorescence est une méthode de choix permettant d’étudier l’évolution des protéines depuis leur synthèse cellulaire jusqu’à leur dégradation, en plus de rendre possible leur localisation ainsi que la visualisation des interactions entre protéines. De cet intérêt certain ont découlé différentes techniques de marquage, dont celle présentement développée dans le groupe Keillor. Le principe de celle-ci repose sur la réaction entre deux maléimides portés par un fluorogène et une séquence peptidique cible, laquelle contient deux résidus cystéines séparés par une distance appropriée. Suite à cette double addition de thiols du peptide sur les maléimides du fluorogène, la fluorescence latente de ce dernier est régénérée, menant au marquage covalent de la protéine d’intérêt. Afin d’optimiser la spécificité et la sensibilité de cette méthode de marquage, la synthèse de nouveaux fluorogènes et l’étude de l’efficacité de quench de la fluorescence par les maléimides est présentement en cours dans les laboratoires du groupe Keillor. / The fluorescent labelling of proteins is a powerful approach for following the dynamic process of their cellular synthesis and degradation, in addition to determining their localization and protein-protein interactions. We have developed a ‘small molecule’-based labelling technique that is complementary to existing methods. Our fluorogenic approach relies on the use of dimaleimide fluorogens that react with a target peptide sequence that presents appropriately spaced, solvent-exposed Cys residues. The thiol addition reaction between target sequence and dimaleimide fluorogen restores the latent fluorescence of the latter and results in the covalent fluorescent labelling of the protein of interest. Synthesis of new fluorogens and quench efficiency studies are presently taking place in the Keillor group laboratory in order to optimize the specificity and sensitivity of the labelling method.

Le marquage protéique par fluorescence est une méthode de choix permettant d’étudier l’évolution des protéines depuis leur synthèse cellulaire jusqu’à leur dégradation, en plus de rendre possible leur localisation ainsi que la visualisation des interactions entre protéines. De cet intérêt certain ont découlé différentes techniques de marquage, dont celle présentement développée dans le groupe Keillor. Le principe de celle-ci repose sur la réaction entre deux maléimides portés par un fluorogène et une séquence peptidique cible, laquelle contient deux résidus cystéines séparés par une distance appropriée. Suite à cette double addition de thiols du peptide sur les maléimides du fluorogène, la fluorescence latente de ce dernier est régénérée, menant au marquage covalent de la protéine d’intérêt. Afin d’optimiser la spécificité et la sensibilité de cette méthode de marquage, la synthèse de nouveaux fluorogènes et l’étude de l’efficacité de quench de la fluorescence par les maléimides est présentement en cours dans les laboratoires du groupe Keillor. / The fluorescent labelling of proteins is a powerful approach for following the dynamic process of their cellular synthesis and degradation, in addition to determining their localization and protein-protein interactions. We have developed a ‘small molecule’-based labelling technique that is complementary to existing methods. Our fluorogenic approach relies on the use of dimaleimide fluorogens that react with a target peptide sequence that presents appropriately spaced, solvent-exposed Cys residues. The thiol addition reaction between target sequence and dimaleimide fluorogen restores the latent fluorescence of the latter and results in the covalent fluorescent labelling of the protein of interest. Synthesis of new fluorogens and quench efficiency studies are presently taking place in the Keillor group laboratory in order to optimize the specificity and sensitivity of the labelling method.