Content: Synchrotron small-angle X-ray scattering (SAXS) technique was applied to leather research to understand the changes in molecular-level collagen structure during tanning and denaturation (shrinkage), which can help reduce the environmental impact from the extensive chrome usage. Based on SAXS results from realtime denaturation experiments on leather samples, we established a mechanistic model of chrome tanning indicated by the structural changes of collagen. It suggests that only a low level of chromium species is effectively involved in the cross-linking with collagen, which highlights the overuse of chrome during conventional tanning processes. Any extra amount of chrome added, however, can support the stabilisation of collagen possibly via a non-covalent mechanism. Such mechanism points towards a more environment-friendly tanning method by using suitable supplementary reagents to benefit tanning effect non-covalently instead of chrome. By pre-treating with complexing agents such as sodium formate and disodium phthalate, as well as nanoclay (sodium montmorillonite), the uniformity through bovine hide collagen matrix were improved significantly. These pre-treatments effectively reduce the reactivity of chromium during its cross-linking reaction with collagen while retaining its bound water. However, collagen pre-treated with a covalent cross-linker (glutaraldehyde) results in a decrease in both chromium-collagen cross-linking and bound water while improving uniformity. These molecular-level insights can be developed into metrics to guide us towards a more sustainable future for the leather industry. The coating on collagen fibrils can provide a pseudo-stabilisation effect of increasing the heat resistance of collagen. A group of tanning experiments were also conducted in situ on the SAXS beamline to observe the different mechanisms of free-of-chrome alternative tannages as potential replacements. Overall, synchrotron SAXS provides valuable information about collagen structure changes that could lead to more efficient use of chrome (or other tanning agents) in the global leather tanning industry. Take-Away: 1. Kinetics of hydrothermal denaturation and collagen crosslinking mechanism proceed through different pathways 2. Alternative chemistries to enhance chrome uptake at low offers. 3. The role of collagen structure studies in understanding tanning mechanims

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Yes / Understanding structure-property relationships is critical for the development of new drug delivery systems. This study investigates the properties of Pluronic smart hydrogel formulations for future use as injectable controlled drug carriers. The smart hydrogels promise to enhance patient compliance, decrease side effects and reduce dose and frequency. Pharmaceutically, these systems are attractive due to their unique sol-gel phase transition in the body, biocompatibility, safety and injectability as solutions before transforming into gel matrices at body temperature. We quantify the structural changes of F127 systems under controlled temperature after flow, as experienced during real bodily injection. Empirical formulae combining the coupled thermal and shear dependency are produced to aid future application of these systems. Induced structural transitions measured in-situ by small angle x-ray and neutron scattering reveal mixed oriented structures that can be exploited to tailor the drug release profile.

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Les ARN non-codants exercent des rôles essentiels au sein de nombreux processus biologiques, allant de la régulation de l’expression génique à l’activité enzymatique. Afin de remplir leurs fonctions cellulaires, ces ARN doivent adopter des structures tridimensionnelles spécifiques, et mieux comprendre ces structures et leur dynamique est crucial pour élucider leur mécanisme d’action et créer des ARN possédant de nouvelles fonctions. Afin de mieux comprendre la structure, la dynamique et l’ingénierie des ARN, notre laboratoire étudie le ribozyme VS de Neurospora, un petit ARN (~160 nucléotides) possédant une activité catalytique. Le ribozyme VS a été découvert il y a une trentaine d’années chez certains isolats naturels du champignon microscopique Neurospora. Ce ribozyme a fait l’objet d’études approfondies et est considéré comme étant un système modèle idéal pour étudier la structure et la fonction de l’ARN in vitro, en raison de sa taille relativement petite, de sa structure tridimensionnelle complexe et de son activité enzymatique facilement détectable. Comme plusieurs autres ribozymes de sa famille, le ribozyme VS catalyse des réactions de clivage et de ligation d’une liaison phosphodiester spécifique. Toutefois, il a la capacité unique de reconnaître et de cliver un substrat isolé, replié sous forme de tige-boucle, par l’entremise d’une interaction boucle-boucle extrêmement stable, une caractéristique intéressante d’un point de vue de l’ingénierie de l’ARN. Des structures cristallines récentes ont fourni de l’information importante à propos de l’état fermé du ribozyme, qui comprend un site actif pré-catalytique. Toutefois, des études récentes ont plutôt démontré que le ribozyme VS adopte un état ouvert en solution et il n’existe que très peu d’information structurale sur cet état et sur les mécanismes de transition menant à la forme fermée. Afin de caractériser la structure du ribozyme en solution, une stratégie modulaire de divide-and-conquer a été entreprise et des structures RMN à haute résolution de chacun des sous-domaines structuraux clés ont été déterminées. Cette thèse vise à caractériser la structure du ribozyme VS complet en solution et à explorer sa capacité à cliver une molécule d’intérêt différente de son substrat naturel. Dans un premier temps, une étude d’ingénierie a été entreprise afin de créer des variants du ribozyme VS capables de reconnaître une tige-boucle d’ARN dérivée de l’Élément de Réponse de Transactivation du virus d’immunodéficience humaine (VIH). Ainsi, des variants hautement actifs du ribozyme ont été identifiés par sélection in vitro et une étude complémentaire de dynamique moléculaire a démontré que l’interaction boucle-boucle agit à titre de charnière dynamique et facilite la formation de l’état fermé du ribozyme. L’approche structurale de divide-and-conquer a ensuite été complétée en combinant des études de RMN et de diffusion des rayons-X aux petits angles (SAXS). Ainsi, des structures à haute résolution du domaine catalytique minimal et d’un complexe formé entre un ribozyme VS plus étendu et un substrat non-clivable ont alors été obtenus. En comparant ces structures aux structures cristallines, nous avons découvert un réarrangement structural important associé à la formation du site actif. Dans l’ensemble, ces travaux offrent une meilleure compréhension de l’architecture globale du ribozyme VS et de son mécanisme d’action qui comprend un échange dynamique de multiples états conformationnels. Plus généralement, les leçons apprises ici permettront de mieux guider les expériences d’ingénierie du ribozyme VS et d’autres ARN fonctionnels. / Non-coding RNAs play essential roles in many biological processes, ranging from the regulation of gene expression to enzymatic activity. To perform their cellular functions, RNAs must adopt specific three-dimensional structures, and understanding how these structures fold is crucial to elucidate their mechanism of action. However, our fundamental understanding of the structure and dynamics of RNA at atomic resolution remains rather limited. To better understand the structure, dynamics and engineering of RNA, our laboratory is investigating the Neurospora VS ribozyme, a small RNA (~160 nucleotides) with catalytic activity. The VS ribozyme was originally found 30 years ago in natural isolates of Neurospora fungi. It has been thoroughly investigated as an ideal model system to study the structure and function of RNA in vitro, due to its small size, its complex three-dimensional structure and easily detectable activity. Like other small nucleolytic ribozymes, the VS ribozyme catalyzes the cleavage and ligation reactions of a specific phosphodiester bond. However, it has the unique ability to recognize and cleave an isolated hairpin substrate through the formation of a highly stable kissing-loop interaction, which is of great interest for RNA engineering purposes. Recent crystal structures have provided useful information on the closed state of the ribozyme, in which the active site is formed. However, the VS ribozyme is also known to adopt an open state in solution and there is still very little structural information regarding this state and how it is converted into the active closed state. In order to characterize the solution structure of the ribozyme and its dynamics, an NMR-based divide-and-conquer approach was previously undertaken in which high-resolution structures of each of the key structural subdomains were determined. The work presented in this thesis aims to characterize the structure of the complete VS ribozyme in solution and to explore its ability to cleave an RNA hairpin of interest, different from its natural substrate. First, an engineering study was undertaken to create VS ribozyme variants capable of recognizing an RNA stem-loop derived from the HIV-1 Trans-Activation Response Element RNA. Using in vitro selection, highly active ribozyme variants were identified, and their sequence analysis suggests that the improved activity observed in some variants depends on increased conformational sampling of the kissing-loop interaction. Complementary molecular dynamics studies indicate that the kissing-loop interaction acts as a dynamic hinge to facilitate the formation of the closed state of the ribozyme. Next, the divide-and-conquer approach for structural investigation of the VS ribozyme was completed by combining NMR and small-angle X-ray scattering (SAXS) data. High-resolution structures were determined for both a minimal catalytic domain and a complex between a more extended trans ribozyme and a non-cleavable substrate. By comparing these solution structures to the previously reported crystal structures, we uncovered an important structural rearrangement associated with the formation of the active site. Overall, this work provides a better understanding of the global architecture of the VS ribozyme and how it fulfills its function by dynamic exchange of many conformational states. More generally, the structural and dynamic knowledge generated from this work will help to guide future engineering studies of the VS ribozyme and other functional RNAs.

Understanding protein function highly benefits from the knowledge of its three-dimensional structure, especially in the case of protein-ligand complexes. Structural biology methods such as X-ray crystallography, SAXS and NMR are therefore widely used for structural studies of protein-ligand interaction. In this work, these methods were used to understand two biological processes involving protein interactions: X-ray structural analysis was used to study binding of effector molecule to a prokaryotic transcription factor. NMR and SAXS techniques were used to study interaction of a monoclonal antibody with its protein antigen. Transcriptional regulator DeoR negatively regulates the expression of catabolic genes for the utilization of deoxyribonucleosides and deoxyribose in Bacillus subtilis. DeoR comprises an N-terminal DNA-binding domain and a C-terminal effector-binding domain (C-DeoR), and its function is regulated by binding of a small-molecular effector deoxyribose-5-phosphate. We determined crystal structures of C-DeoR both in the free form and in complex with deoxyribose-5-phosphate. Structural analysis revealed unique covalent binding of effector molecule through a reversible Schiff-base double bond with an effector-binding-site lysine residue. The physiological nature of this binding mode was...

Les fibres d'acide polylactique (PLA), issues de ressources agricoles renouvelables, ont suscité à leur apparition un grand intérêt car il s'agit de fibres ayant les avantages des fibres synthétiques. Or très vite des inconvénients sont apparus en particulier lors de leur teinture : elles se saturent très facilement conduisant a des nuances pastel et les solidités aux lavages des teintures sont médiocres. Nous avons vérifié que la cristallinité des fibres de PLA est du même ordre de grandeur que celle du polyester classique (55- au pire 60%). Par contre les traitements aqueux type teinture font croître cette cristallinité, peut-être par hydrolyse des zones amorphes. Mais la teinture est très rapide, ce qui signifierait que les zones amorphes sont à peine orientées ce qui est confirmé par RX (un fond continu vraiment plat) et de ce fait elles ne retiennent pas le colorant. Les isothermes d'adsorption montrent également qu'il n'y a pas d'adsorption mais « solution » puisqu'elles sont de type Nernst et que la fixation de colorant décroît avec la croissance de la température. En plus, à chaque traitement aqueux de la fibre est hydrolysée ce qui entraîne une perte de colorant et une réduction lente des propriétés mécaniques de la fibre. Ce dernier phénomène étant relativement long d'où nous avons formulé une hypothèse que l'hydrolyse des bouts de chaine serait plus rapide que celle des milieux de chaine. / The fibers of poly (lactic acid) (PLA), derived from annually renewable agricultural resources, had a great potential when they were first introduced into the market as they have the advantages of synthetic fibers, as well as they are biodegradable. Some current challenges and limitations associated with these new fibers have constrained their popularity, especially when they were dyed. They easily become saturated leading to pastel shades and their washfastness is poor. We verified that the crystallinity of PLA fibers is comparable to that of conventional polyester (55 - 60% at worst). However, this crystallinity has increased during the wet treatment, especially dyeing, which may be due to the hydrolysis of amorphous regions. Rapid stricke of the dye means that the amorphous regions are barely oriented (hence X-ray background intensity is really flat) and they do not retain the dye molecules.The adsorption isotherms also show that there is no adsorption but it is a "solution" as they are of the Nernst type and the dye fixation decreases with increasing temperature. But each wet treatment leads to a fiber hydrolysis which causes a loss of dye and a slow loss of mechanical properties of the fiber. The latter phenomenon is relatively long leading to a hypothesis that the hydrolysis by side-group elimination would be faster than the degradation of weak points in the macromolecular polymer chains.

La soie est un biopolymère synthétisé par certains arthropodes. Cette fibre est constituée de protéines arrangées en une microstructure semi-cristalline et possède d'intéressantes propriétés mécaniques. L'axe principal de ce travail de thèse concerne la compréhension du processus de formation de la fibre de soie. La soie de Bombyx mori a été choisi comme modèle. Sa protéine, nommée Fibroïne, a été utilisée pour produire une fibre dans une cellule microfluidique construite pour mimer l'appareil de filage du ver à soie. Le processus de formation de la soie a été suivi par des techniques de diffusion des rayons X (SAXS et WAXS) et par spectroscopie Raman. Elle débute par une étape d'agrégation. La taille des agrégats est de l'ordre de 100 nm. Dans ces particules, la Fibroïne est sous une forme compactée. Cette agrégation est suivie d'une phase de compaction des agrégats. Plus tard, à une échelle de temps de quelques heures, la Fibroïne subit une transition conformationnelle depuis une structure principalement amorphe (Silk I) vers la structure caractéristique de la soie naturelle (Silk II). Ce processus est proposé comme un modèle de la formation de la fibre de soie in vivo. Le second axe de ce travail est orienté vers la connaissance des propriétés physiques de la soie naturelle de B. mori. Sa résistance aux hautes températures est étudiée d'un point de vue structural, moléculaire et mécanique. L'effet des hautes pressions sur la structure de la fibre de soie est aussi présentée.

Le fil de traîne de l'araignée est un matériau remarquable, un biopolymère aux exceptionnelles propriétés mécaniques. La soie d'araignée a été au centre d'une intense recherche utilisant une large gamme de techniques expérimentales et de modélisations théoriques. Néanmoins, ses propriétés macroscopiques n'ont pas encore été correctement reliées à sa structure et sa dynamique microscopiques.<br />Dans ce travail de thèse, les techniques de diffusion neutronique ont été pour la première fois utilisées pour l'étude de la soie d'araignée. La forte contribution de l'hydrogène en diffusion des neutrons ainsi que la différence des longueurs de diffusion de l'hydrogène et du deutérium ont permis de porter un regard nouveau sur les propriétés structurales et dynamiques des soies d'araignée. Ainsi les résultats appuient un modèle hiérarchique à trois phases de nanofibrilles composées de domaines cristallins et d'ordre à courte portée, contenues dans une matrice amorphe. Des expériences complémentaires de diffusion du rayonnement synchrotron suggèrent que l'eau absorbée par la matrice amorphe forme une glace amorphe à basses températures. Des expériences de diffraction de neutrons (abréviation anglaise : WANS) ont montré un pic méridional hors réseau -non observé par les expériences en rayons X (abréviation anglaise : WAXS)- attribué à une structure smectique de feuillets beta dans les domaines d'ordre à courte portée. L'échange de H2O contre D2O pour les expériences de diffusion de neutrons aux petits angles (abréviation anglaise : SANS) a permis d'observer la variation de contraste à l'intérieur des nanofibrilles et entre les nanofibrilles et la matrice. La mobilité moléculaire a été sondée par des techniques de diffusion inélastique et quasiélastique des neutrons. Il semble qu'une hiérarchie de phénomènes de relaxations décrive la soie hydratée, tandis que la soie native a un comportement vitreux à température ambiante.