Raman micro-spectroscopy provides a non-destructive probe with potential applications as a diagnostic tool for cellular disorders. This study presents micro-Raman spectra of live erythrocytes infected with a malaria parasite and investigates the potential of this probe to monitor molecular changes which occur during differentiation of the parasite inside the cell. At an excitation wavelength of 633 nm the spectral bands are dominated by hemoglobin vibrations yielding information the on structure and spin state of the heme moiety. It also demonstrates the novel use of silica capillaries as a viable method for studying the erythrocytes in an environment that is much closer to their native state, thus opening the possibility of maintaining the cell in vivo for long periods to study the dynamics of the parasite's growth.

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La malaria est une maladie endémique qui a affecté 212 millions de personnes en 2015, et fait plus de 429 000 morts. Parmi les espèces causant la malaria humaine, Plasmodium falciparum est celle qui est associée au plus haut taux de morbidité et de mortalité. L’invasion du globule rouge par le parasite de la malaria, P. falciparum, est une étape clé qui est médiée par la sécrétion coordonnée de différentes protéines contenues dans les organites du complexe apical : les rhoptries, les micronèmes et les granules denses. La biogenèse de ces organites et le transport des différentes protéines apicales sont des phénomènes encore mal compris et peu étudiés. Des travaux ont montré que des microdomaines présents dans la membrane de l’appareil de Golgi possèderaient une composition lipidique et protéique distincte et seraient impliqués dans la sélection différentielle des protéines destinées aux organites du complexe apical. Cependant, la façon dont ces microdomaines sont discriminés l’un de l’autre et les mécanismes régissant leur transport à partir de l’appareil de Golgi vers le complexe apical sont présentement inconnus. Nous avons donc entrepris d’identifier les différents acteurs moléculaires impliqués dans ce trafic différentiel des protéines apicales. Les travaux réalisés dans le cadre d’un premier projet ont permis de démontrer que la sortiline, un récepteur de cargo conservé chez les eucaryotes, joue un rôle essentiel dans le transport de protéines vers les différents organites apicaux. Nous avons également démontré que la sortiline interagit avec le complexe de protéines RAMA/RAP afin d’assurer leur transport spécifique vers les rhoptries. L’analyse du phénotype en situation de « knock-down » de la sortiline a révélé à la fois un rôle essentiel de la sortiline dans la biogenèse des organites du complexe apical, mais aussi dans le processus de cytokinèse lors de la division cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle central et essentiel de la protéine escorte sortiline dans le système de transport protéique chez le parasite de la malaria P. falciparum. Dans le cadre d’un second projet, nous avons caractérisé une potentielle protéine de rhoptries (PRP2) identifiée chez Plasmodium berghei et chez Toxoplasma gondii. Nous avons cependant démontré que chez P. falciparum, cette hypothétique protéine de rhoptries est plutôt localisée à l’appareil de Golgi et n’est pas impliquée dans les évènements d’invasion. De ce fait, nous avons renommé cette protéine « Golgi protein 1 » (GP1) . Nous avons également découvert que GP1 interagit avec une protéine transmembranaire non caractérisée (« Golgi protein 2 », GP2). Nos travaux ont donc mené à la découverte d’un nouveau complexe de protéines situé dans l’appareil de Golgi et important pour la survie du parasite.

Thesis (M.C.T.M. (Tropical Pediatrics))--Mahidol University, 2004.

Plasmodium falciparum 1–deoxy–D–xylulose–5 phosphatereductoisomerase (PfDXR) plays a role in isoprenoid biosynthesis in the malaria parasite and is absent in the human host, making this parasite enzyme an attractive target for antimalarial drug design. To characterize PfDXR, it is necessary to produce large quantities of the enzyme in a soluble and functional form. However, the over–production of malarial proteins in prokaryotic host systems often results in the formation of truncated proteins or insoluble protein aggregates. A heterologous expression system was developed for the production of active PfDXR using codon harmonization and tight control of expression in the presence of lac repressor. Yields of up to 2 mg/l of enzyme were reported using the optimised expression system, which is 8 to 10– fold greater than previously reported yields. The kinetic parameters Km, Vmax and kcat were determined for PfDXR; values reported in this study were consistent with those reported in the literature for other DXR enzymes. A three–dimensional model of the malarial drug target protein PfDXR was generated, and validated using structure–checking programs and protein docking studies. Structural and functional features unique to PfDXR were identified using the model and comparative sequence analyses with apicomplexan and non–apicomplexan DXR proteins. Residues Val44 and Asn45, essential for NADPH binding; and catalytic hatch residues Lys224 and Lys226, which are unique to the species of Plasmodium, were mutated to resemble those of E. coli DXR. Interestingly,these mutations resulted in significant reductions in substrate affinity, when compared to the unmutated PfDXR. Mutant enzymes PfDXR(VN43,44AG) and PfDXR(KK224,226NS) also demonstrated a decreased ability to turnover substrate by 4–fold and 2–fold respectively. This study indicates a difference in the role of the catalytic hatch of PfDXR with regards to the way in which it captures substrates. The study also highlights subtle differences in cofactor binding to PfDXR, compared with the well characterized EcDXR enzyme. The validated PfDXR model was also used to develop a novel efficient in silico screening method for potential tool compounds for use in the rational design of novel DXR inhibitors. Following in silico screening of 46 potential DXR inhibitors, a two–tiered in vitro screening approach was undertaken. DXR inhibition was assessed for the 46 novel compounds using an NADPH– ependant DXP enzyme inhibition assay and antimalarial potential was assessed using P.falciparum–infected erythrocyte growth assays. Select compounds were tested in human cells in order to determine whether they were toxic to the host. From the parallel in silico and in vitro drug screening, it was evident that only a single compound demonstrated reasonable potential binding to DXR (determined using in silico docking), inhibited DXR in vitro and inhibited P. falciparum growth, without being toxic to human cells. Its potential as a lead compound in antimalarial drug development is therefore feasible. Two outcomes were evident from this work. Firstly, analogues of known antimalarial natural products can be screened against malaria, which may then lead towards the rational design of novel compounds that are effective against a specific antimalarial drug target enzyme, such as PfDXR. Secondly, the rational design of novel compounds against a specific antimalarial drug target enzyme can be untaken by adopting a coupled in silico and in vitro approach to drug discovery.

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