L'hydrolyse enzymatique de la P-lactoglobuline (p-lg) par la trypsine permet la libération de différents peptides dont plusieurs possèdent des propriétés fonctionnelles et bioactives. Un phénomène d'agrégation inattendu a été observé durant la concentration par osmose inverse (01) d'un hydrolysat trypsique de P-lg. Des travaux récents démontrent qu'un peptide particulier, le peptide B-lg fl-8, initie l'agrégation observée dans l'hydrolysat de /?-lg floculé via le phénomène d'auto-assemblage peptidique. L'auto-assemblage peptidique est un type particulier d'agrégation selon lequel des peptides polymérisent spontanément ensemble afin de former des nanostructures bien définies comme des nanotubes, des nanofibres et des hydrogels. Le but de cette étude était d'étudier les interactions moléculaires impliquées dans le phénomène d'auto-assemblage du peptide /?-lg fl-8, d'une part en étudiant les conditions physico-chimiques qui déclenchent l'auto-assemblage et la formation de nanofibres et d'hydrogels et, d'autre part, en étudiant l'impact de la séquence d'acides aminés sur l'auto-assemblage. Les résultats ont d'abord démontré que l'auto-assemblage du peptide B-lg fl-8 était régi par les conditions de pH et par la concentration en peptide et que la force ionique ainsi que la température n'influençaient pas l'auto-assemblage. Les résultats ont aussi démontré que plusieurs interactions moléculaires (hydrophobes, électrostatiques, liens hydrogène) étaient impliquées dans l'auto-assemblage en feuillets P du peptide B-lg fl-8. Plus précisément, il a été démontré que l'extrémité hydrophobe du peptide était essentielle pour déclencher l'auto-assemblage en feuillets P et que les interactions électrostatiques provenant de l'extrémité hydrophile contribuaient considérablement à conserver un équilibre précis entre les interactions hydrophobes et électrostatiques nécessaires pour déclencher l'auto-assemblage. Globalement, les résultats démontrent qu'il est possible de concevoir à partir de l'auto-assemblage peptidique en feuillets P des hydrogels avec des propriétés particulières, de diversifier les conditions physico-chimiques qui déclenchent la formation de ces matériaux et de générer des nanostructures présentant des morphologies très différentes.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Le présent mémoire propose une étude sur la caractérisation biophysique et in vivo de peptides formant des canaux ioniques artificiels nommés LS2 et LS3. Ces molécules servant de modèles ont d'abord été mises au point par DeGrado et al en 1988, pour être ensuite caractérisées et modélisées jusqu'en 2007. Nous nous appuyons donc sur ces travaux ainsi que sur des études antérieures effectuées au sein de notre laboratoire pour éclaircir davantage les phénomènes d'auto-assemblage propres à ces peptides modèles. La première partie introduit le sujet des nanostructures peptidiques et la problématique de l'auto-assemblage à l'aide de plusieurs exemples tirés de la littérature récente. Les chapitres 1 et 2 traitent, dans un premier temps, des canaux ioniques naturels et offrent une analyse des éléments structuraux qu'ils partagent. Par la suite, une analyse des critères visés pour la création d'un canal ionique modèle est offerte. Celle-ci est suivie d'une présentation détaillée de LS2 et LS3. Le troisième chapitre présente la synthèse d'analogues fluorescents destinés aux caractérisations biophysiques et in vivo. Les chapitres 4 et 5 se consacrent aux études de dichroïsme circulaire et d'incorporation transmembranaire en infrarouge, respectivement. Le dernier chapitre présente les études de localisation in vivo réalisées avec les analogues fluorescents que nous avons synthétisés.

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.