Kinetics of Nanoparticle-Membrane Adhesion Mediated by Multivalent Interactions.

Multivalent adhesive interactions mediated by a large number of ligands and receptors underpin many biological processes, including cell adhesion and the uptake of particles, viruses, parasites, and nanomedical vectors. In materials science, multivalent interactions between colloidal particles have enabled unprecedented control over the phase behavior of self-assembled materials. Theoretical and experimental studies have pinpointed the relationship between equilibrium states and microscopic system parameters such as the ligand-receptor binding strength and their density. In regimes of strong interactions, however, kinetic factors are expected to slow down equilibration and lead to the emergence of long-lived out-of-equilibrium states that may significantly influence the outcome of self-assembly experiments and the adhesion of particles to biological membranes. Here we experimentally investigate the kinetics of adhesion of nanoparticles to biomimetic lipid membranes. Multivalent interactions are reproduced by strongly interacting DNA constructs, playing the role of both ligands and receptors. The rate of nanoparticle adhesion is investigated as a function of the surface density of membrane-anchored receptors and the bulk concentration of nanoparticles and is observed to decrease substantially in regimes where the number of available receptors is limited compared to the overall number of ligands. We attribute such peculiar behavior to the rapid sequestration of available receptors after initial nanoparticle adsorption. The experimental trends and the proposed interpretation are supported by numerical simulations

Stereochemistry

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Isothermal Titration Calorimetry: a Key Tool for the Understanding of the Thermodynamic Factors Underlying the Remarkable Pairing Properties of Locked Nucleic Acids (LNA)

LNA, conformationally restricted nucleotide analogs, constitute an important addition to the tools available for nucleic acid diagnostics and nucleic acid therapeutics. LNA monomers contain a modified ribose moiety which locks the sugar, via a 2’O - 4’C methylene bridge, into the C3’-endo/N-type conformation. LNA resemble natural nucleic acids with respect to Watson-Crick base pairing and the potential of LNA containing oligonucleotides lies in their ability to mediate high affinity pairing with complementary RNA or DNA strands, with superior sequence specificity than their natural equivalent. With the aim to contribute to a better understanding of the origin of these effects at the molecular level, the hybridization thermodynamics of different oligonucleotides duplexes has been studied by Isothermal titration calorimetry (ITC). The systems studied differ by the nature and number of LNA nucleotides. The data obtained by ITC (ΔG°, ΔH°, S° and ΔCp) were correlated to structural information obtained by Circular Dichroïsm (CD) and Nuclear Magnetic Resonance (RMN) Spectroscopy. Even if much work is still needed to elucidate all the factors at the origin of the increase in thermodynamic and thermal stability of a duplex induced by LNA substitutions, it is clear that the combined use of different experimental tools (ITC, NMR, CD) helps to obtain a more complete picture at the molecular level.info:eu-repo/semantics/nonPublishe

Water, Solvent of Life

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Van der Waals Forces

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Hydrogen Bonds

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Isothermal Titration Calorimetry: a valuable tool for the physico-chemical characterisation of (bio)molecular interactions

LNA, conformationally restricted nucleotide analogs, constitute an important addition to the tools available for nucleic acid diagnostics and nucleic acid therapeutics. LNA monomers contain a modified ribose moiety which locks the sugar, via a 2’O - 4’C methylene bridge, into the C3’-endo/N-type conformation. LNA resemble natural nucleic acids with respect to Watson-Crick base pairing and the potential of LNA containing oligonucleotides lies in their ability to mediate high affinity pairing with complementary RNA or DNA strands, with superior sequence specificity than their natural equivalent. With the aim to contribute to a better understanding of the origin of these effects at the molecular level, the hybridization thermodynamics of different oligonucleotides duplexes has been studied by Isothermal titration calorimetry (ITC). The systems studied differ by the nature and number of LNA nucleotides. The data obtained by ITC (ΔG°, ΔH°, S° and ΔCp) were correlated to structural information obtained by Circular Dichroïsm (CD) and Nuclear Magnetic Resonance (RMN) Spectroscopy. Even if much work is still needed to elucidate all the factors at the origin of the increase in thermodynamic and thermal stability of a duplex induced by LNA substitutions, it is clear that the combined use of different experimental tools (ITC, NMR, CD) helps to obtain a more complete picture at the molecular level.info:eu-repo/semantics/nonPublishe

Etude par calorimétrie à titrage isotherme (ITC) et spectroscopie de résonnance magnétique nucléaire (RMN) des effets de protonation liés à l'interaction entre l'alpha-chymotrypsine et la proflavine / Gilles Bruylants

Le nombre de cibles potentielles pour la conception de nouvelles molécules à activité thérapeutique ne cesse de croître. Pour chaque cible, il est nécessaire d’identifier des molécules actives et de les optimiser afin d’atteindre l’affinité et la sélectivité recherchées. Ces nouveaux défis accentuent la nécessité d’améliorer notre compréhension des facteurs qui mènent à la reconnaissance moléculaire entre une drogue potentielle et une macromolécule biologique, et particulièrement des facteurs énergétiques à la base de la stabilisation d’un complexe d’interaction. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’effet que pouvaient avoir les équilibres de protonation/déprotonation des résidus ionisables d’une protéine sur les paramètres thermodynamiques caractérisant la complexation d’un ligand. Dasns ce but, nous avons étudié l’interaction entre l’α-chymotrypsine et un de ses inhibiteurs compétitifs, la proflavine. Cette protéine est représentative d’un nombre important d’enzymes présentant le même mécanisme catalytique. La compréhension des facteurs qui régissent les équilibres de protonation/déprotonation des résidus ionisables présents dans son site actif ainsi que de l’effet sur ceux-ci de l’interaction avec des ligands est d’une importance primordiale pour le développement d’inhibiteurs plus sélectifs de ces protéases.<p>Cette étude s’est essentiellement composée de trois volets. (i) La réalisation d’un modèle du complexe d’interaction afin de confronter des données structurales aux données expérimentales recueillies. (ii) L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) afin de mettre en évidence les résidus ionisables dont les équilibres de protonation/déprotonation sont influencés par la complexation du ligand. (iii) L’étude de la thermodynamique de l’interaction par Calorimétrie à Titrage Isotherme (ITC) et spectroscopie d’absorption en fonction de l’état d’ionisation des résidus identifiés par l’étude RMN.<p>Le modèle du complexe d’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine a été réalisé sur base de la structure cristallographique du complexe entre cet inhibiteur et une protéase apparentée à la chymotrypsine, la thrombine. Il ressort de l’analyse du modèle obtenu que la proflavine est profondément enfouie dans le subsite S1 de l’enzyme et présente une très grande complémentarité de surface avec cette poche hydrophobe. Nous avons également pu constater la présence de plusieurs molécules d’eau immobilisées au sein du complexe, et d’une molécule en particulier faisant office de relais de liens-H.<p>L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par RMN du 1H a été précédée par une étude de l’effet du degré de maturité de l’enzyme sur les interactions liant les différents résidus composant la triade catalytique (Asp102, His57 et Ser195). Lors de l’activation du précurseur inactif de l’enzyme, le chymotrypsinogène, vers la forme mature, l’α-chymotrypsine, il semble en effet que le lien-H entre le NH&949;2 de l’His57 et le Oγ de la Ser195 soit affaibli, contrairement à celui qui relie le NHδ1 de cette même histidine au Oδ1 de l’Asp102. Nous rapportons pour la première fois l’observation de l’influence de la protonation de l’Asp102 sur les déplacements chimiques des protons NHδ1 et NH&949;2 de l’His57. L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par RMN, nous a permis de mettre en évidence l’effet de la complexation du ligand sur l’état d’ionisation des résidus His57 et Asp102 de la triade catalytique, les pKa de ces résidus dans l’enzyme libre valant respectivement 7 et approximativement 4.<p>Les paramètres thermodynamiques de l’interaction α-chymotrypsine - proflavine et des différents équilibres de protonation/déprotonation qui y sont liés ont été obtenus par spectroscopie d’absorption et ITC. Cette dernière technique constitue un outil précieux pour l’étude d’interactions moléculaires car il s’agit de la seule technique expérimentale permettant la mesure directe de l’enthalpie d’interaction. Lorsque des équilibres de protonation/déprotonation sont thermodynamiquement liés à l’interaction, il s’agit également de la seule technique permettant la quantification de ces effets. En mesurant la constante d’affinité et l’enthalpie d’interaction observées à différents pH et dans différents tampons, nous avons pu, sur base du modèle obtenu par RMN, déterminer les paramètres thermodynamiques intrinsèques des différents équilibres.<p>La corrélation entre les données thermodynamiques obtenues par ITC et spectroscopie d’absorption et les données structurales obtenues par RMN et sur base de l’analyse du modèle du complexe d’interaction, nous a permis de rationaliser les facteurs à la base de l’interaction préférentielle de l’inhibiteur avec une des formes de l’enzyme. L’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine est la plus favorable lorsqu’à la fois l’His57 et l’Asp102 sont déprotonnés. Cette interaction est caractérisée par un terme enthalpique favorable et un terme entropique légèrement défavorable. Ce dernier terme s’expliquerait en partie par l’immobilisation dans le site d’interaction de plusieurs molécules d’eau. L’affinité entre l’α-chymotrypsine et la proflavine diminue lorsque l’His57 se protonne. La répulsion électrostatique entre les charges positives de la proflavine et de l’His57 est vraisemblablement un des facteurs permettant d’expliquer cette diminution de la constante d’affinité. Nous n’avons pu mettre en évidence d’interaction entre ces deux molécules dès lors que l’Asp102 est protonné, malgré que ce résidu soit situé relativement loin de la proflavine dans le complexe. Il s’agit donc d’un effet indirect, probablement relayé par l’His57. Tant que l’Asp102 est déprotonné, sa charge négative compenserait la charge positive de l’His57 et réduirait la répulsion électrostatique avec la proflavine, ce qui n’est plus le cas lorsque l’aspartate se protonne.Doctorat en sciences appliquéesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

15N NMR relaxation data reveal significant chemical exchange broadening in the alpha-domain of human α-lactalbumin

Human alpha-lactalbumin (alpha-LA), a 123-residue calcium-binding protein, has been studied using (15)N NMR relaxation methods in order to characterize backbone dynamics of the native state at the level of individual residues. Relaxation data were collected at three magnetic field strengths and analyzed using the model-free formalism of Lipari and Szabo. The order parameters derived from this analysis are generally high, indicating a rigid backbone. A total of 46 residues required an exchange contribution to T(2); 43 of these residues are located in the alpha-domain of the protein. The largest exchange contributions are observed in the A-, B-, D-, and C-terminal 3(10)-helices of the alpha-domain; these residues have been shown previously to form a highly stable core in the alpha-LA molten globule. The observed exchange broadening, along with previous hydrogen/deuterium amide exchange data, suggests that this part of the alpha-domain may undergo a local structural transition between the well-ordered native structure and a less-ordered molten-globule-like structure.Journal ArticleResearch Support, Non-U.S. Gov'tSCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe