Adsorption des protéines sur les nanomatériaux. Biochimie et physico-chimie d'un nouveau stress

Les nanomatériaux posent de nouvelles questions en termes de toxicologie humaine et environnementale et représentent une nouvelle interface avec le milieu biologique aux propriétés spécifiques. De nombreuses inconnues demeurent, en particulier à l échelle moléculaire, pour permettre d expliquer certains mécanismes de toxicité. Lorsqu elles entrent en contact avec le milieu biologique, les nanoparticules se couvrent d une couche de protéines adsorbées. Celle-ci leur confère une nouvelle identité biologique qui contrôle la réponse cellulaire et leur devenir au sein de l organisme. Nous avons étudié l adsorption de protéines modèles sur la silice nanostructurée. Après avoir caractérisé la silice nanoporeuse et les nanoparticules de silice utilisées, l adsorption de la myoglobine, de l hémoglobine et des protéines d un extrait cellulaire de levure a été étudiée afin de déterminer les paramètres physico-chimiques et thermodynamiques de l adsorption des protéines sur la silice. Un enrichissement en résidus basiques, regroupés en clusters de charge, favorise l adsorption des protéines grâce à la formation d interactions électrostatiques avec la surface chargée de la silice, indépendamment de la charge globale de la protéine. A l inverse, un enrichissement en résidus aromatiques est défavorable à l adsorption car ces résidus forment des interactions p-p qui rigidifient la structure de la protéine. L identification des protéines adsorbées et non adsorbées à partir d un milieu complexe pourrait également être utilisée pour les études de toxicité cellulaire. A partir de l étude de la structure, de la dynamique et de l activité de la myoglobine et de l hémoglobine adsorbées sur les nanoparticules de silice, nous avons cherché à définir l état d une protéine adsorbée. L étude de la structure, réalisée par dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-visible, d absorption X, infrarouge, fluorescence et microcalorimétrie, montre une perte partielle de structure importante des protéines adsorbées associée à une grande hétérogénéité de conformations, sans modification majeure de la structure de l hème. Deux sites potentiels d interaction entre myoglobine et nanoparticules de silice ont été identifiés à l aide d une technique de cartographie de surface par irradiation. L étude de la dynamique de la myoglobine adsorbée par diffusion élastique et inélastique de neutrons a permis de montrer que l adsorption s accompagnait d une diminution importante de la flexibilité de la protéine. Malgré la perte de structure, la metmyoglobine adsorbée conserve une activité de fixation de ligands très proche de celle de la protéine libre. L hémoglobine adsorbée présente de façon inattendue une augmentation de son affinité pour l oxygène et une diminution de sa coopérativité, sans dissociation du tétramère. Cet effet est reproductible lors de l adsorption de l hémoglobine humaine, de l hémoglobine pontée DCL et de l hémoglobine mutée S. Deux effecteurs permettent par ailleurs de moduler l affinité de l hémoglobine adsorbée. Aussi importantes soient-elles, les modifications de structure et d activité observées sont entièrement réversibles après désorption dans des conditions douces. L adsorption des hémoprotéines sur les nanoparticules de silice représente véritablement un nouveau type de stress avec résilience pour les protéines en termes de relations entre structure, dynamique et activité.Nanomaterials raise new questions in environmental and human toxicology and represent a novel interface with specific properties with the biological medium. Several unknown remain to explain all the mechanisms of toxicity, especially at the molecular lever. When they enter the biological medium, nanoparticles get covered by a protein corona. This corona yields to a new biological identity that controls the cellular response to nanoparticles and their fate in the organism. We studied the adsorption of model proteins on nanostructured silica. The first part is dedicated to the characterization of nanoporous silica and silica nanoparticles that we used. Then the adsorption of myoglobin, hemoglobin and protein mixture from yeast cells was studied to determine the thermodynamic and physical-chemical parameters of protein adsorption on silica. The enrichment of basic residues, gathered in charge clusters, favors the adsorption of proteins by the formation of electrostatic interactions with the charged surface of silica, independently of the global charge of the protein. On the contrary, the enrichment in aromatic residues is unfavorable to protein adsorption because they form p-p interactions that rigidify the protein structure. The identification of adsorbed and non-adsorbed proteins from a complex medium could also be used for cellular toxicity studies. From the study of the structure, the dynamics and the activity of myoglobin and hemoglobin adsorbed on silica nanoparticles, we tried to define the state of an adsorbed protein. The structural study, based on circular dichroism, fluorescence, infrared, X-ray and UV-visible spectroscopy and microcalorimetry, shows a substantial partial structure loss of adsorbed proteins together with a high conformational heterogeneity, without major modifications of the heme structure. Two potential interaction sites of myoglobin with silica nanoparticles have been identified by a footprinting technique. The study of adsorbed myoglobin dynamics by elastic and inelastic neutron scattering highlighted the important decrease of protein dynamics that occurs upon adsorption. However, despite the structure loss, adsorbed metmyoglobin retains almost all of its activity of ligand binding. Unexpectedly, adsorbed hemoglobin shows an increase of its oxygen affinity and a decrease of its cooperativity, without any dissociation of the tetramer. This effect can be reproduced on human hemoglobin, cross-linked DCL hemoglobin and variant S hemoglobin. Besides, two effectors allow modulating the affinity of adsorbed hemoglobin. Despite the extent of structural and activity changes, all these modifications are entirely reversible upon desorption in soft conditions. The adsorption of hemoproteins on silica nanoparticles depicts a new sort of stress with resilience for proteins in terms of structure, dynamics and activity relationship.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Analysis of the Oxidative Stress Regulon Identifies soxS as a Genetic Target for Resistance Reversal in Multidrug-Resistant Klebsiella pneumoniae

In bacteria, the defense system deployed to counter oxidative stress is orchestrated by three transcriptional factors, SoxS, SoxR, and OxyR. Although the regulon that these factors control is known in many bacteria, similar data are not available for Klebsiella pneumoniae. To address this data gap, oxidative stress was artificially induced in K. pneumoniae MGH78578 using paraquat and the corresponding oxidative stress regulon recorded using transcriptome sequencing (RNA-seq). The soxS gene was significantly induced during oxidative stress, and a knockout mutant was constructed to explore its functionality. The wild type and mutant were grown in the presence of paraquat and subjected to RNA-seq to elucidate the soxS regulon in K. pneumoniae MGH78578. Genes that are commonly regulated both in the oxidative stress and soxS regulons were identified and denoted as the oxidative SoxS regulon; these included a group of genes specifically regulated by SoxS. Efflux pump-encoding genes and global regulators were identified as part of this regulon. Consequently, the isogenic soxS mutant was found to exhibit a reduction in the minimum bactericidal concentration against tetracycline compared to that of the wild type. Impaired efflux activity, allowing tetracycline to be accumulated in the cytoplasm to bactericidal levels, was further evaluated using a tetraphenylphosphonium (TPP+) accumulation assay. The soxS mutant was also susceptible to tetracycline in vivo in a zebrafish embryo model. We conclude that the soxS gene could be considered a genetic target against which an inhibitor could be developed and used in combinatorial therapy to combat infections associated with multidrug-resistant K. pneumoniae. IMPORTANCE Antimicrobial resistance is a global health challenge. Few new antibiotics have been developed for use over the years, and preserving the efficacy of existing compounds is an important step to protect public health. This paper describes a study that examines the effects of exogenously induced oxidative stress on K. pneumoniae and uncovers a target that could be useful to harness as a strategy to mitigate resistance

A Nanoscale Shape-Discovery Framework Supporting Systematic Investigations of Shape-Dependent Biological Effects and Immunomodulation

Since it is now possible to make, in a controlled fashion, an almost unlimited variety of nanostructure shapes, it is of increasing interest to understand the forms of biological control that nanoscale shape allows. However, a priori rational investigation of such a vast universe of shapes appears to present intractable fundamental and practical challenges. This has limited the useful systematic investigation of their biological interactions and the development of innovative nanoscale shape-dependent therapies. Here, we introduce a concept of biologically relevant inductive nanoscale shape discovery and evaluation that is ideally suited to, and will ultimately become, a vehicle for machine learning discovery. Combining the reproducibility and tunability of microfluidic flow nanochemistry syntheses, quantitative computational shape analysis, and iterative feedback from biological responses in vitro and in vivo, we show that these challenges can be mastered, allowing shape biology to be explored within accepted scientific and biomedical research paradigms. Early applications identify significant forms of shape-induced biological and adjuvant-like immunological control

Adsorption des protéines sur les nanomatériaux. Biochimie et physico-chimie d’un nouveau stress

Nanomaterials raise new questions in environmental and human toxicology and represent a novel interface with specific properties with the biological medium. Several unknown remain to explain all the mechanisms of toxicity, especially at the molecular lever. When they enter the biological medium, nanoparticles get covered by a protein corona. This corona yields to a new “biological identity” that controls the cellular response to nanoparticles and their fate in the organism. We studied the adsorption of model proteins on nanostructured silica. The first part is dedicated to the characterization of nanoporous silica and silica nanoparticles that we used. Then the adsorption of myoglobin, hemoglobin and protein mixture from yeast cells was studied to determine the thermodynamic and physical-chemical parameters of protein adsorption on silica. The enrichment of basic residues, gathered in charge clusters, favors the adsorption of proteins by the formation of electrostatic interactions with the charged surface of silica, independently of the global charge of the protein. On the contrary, the enrichment in aromatic residues is unfavorable to protein adsorption because they form π-π interactions that rigidify the protein structure. The identification of adsorbed and non-adsorbed proteins from a complex medium could also be used for cellular toxicity studies. From the study of the structure, the dynamics and the activity of myoglobin and hemoglobin adsorbed on silica nanoparticles, we tried to define the state of an adsorbed protein. The structural study, based on circular dichroism, fluorescence, infrared, X-ray and UV-visible spectroscopy and microcalorimetry, shows a substantial partial structure loss of adsorbed proteins together with a high conformational heterogeneity, without major modifications of the heme structure. Two potential interaction sites of myoglobin with silica nanoparticles have been identified by a footprinting technique. The study of adsorbed myoglobin dynamics by elastic and inelastic neutron scattering highlighted the important decrease of protein dynamics that occurs upon adsorption. However, despite the structure loss, adsorbed metmyoglobin retains almost all of its activity of ligand binding. Unexpectedly, adsorbed hemoglobin shows an increase of its oxygen affinity and a decrease of its cooperativity, without any dissociation of the tetramer. This effect can be reproduced on human hemoglobin, cross-linked DCL hemoglobin and variant S hemoglobin. Besides, two effectors allow modulating the affinity of adsorbed hemoglobin. Despite the extent of structural and activity changes, all these modifications are entirely reversible upon desorption in soft conditions. The adsorption of hemoproteins on silica nanoparticles depicts a new sort of stress with resilience for proteins in terms of structure, dynamics and activity relationship.Les nanomatériaux posent de nouvelles questions en termes de toxicologie humaine et environnementale et représentent une nouvelle interface avec le milieu biologique aux propriétés spécifiques. De nombreuses inconnues demeurent, en particulier à l’échelle moléculaire, pour permettre d’expliquer certains mécanismes de toxicité. Lorsqu’elles entrent en contact avec le milieu biologique, les nanoparticules se couvrent d’une couche de protéines adsorbées. Celle-ci leur confère une nouvelle « identité biologique » qui contrôle la réponse cellulaire et leur devenir au sein de l’organisme. Nous avons étudié l’adsorption de protéines modèles sur la silice nanostructurée. Après avoir caractérisé la silice nanoporeuse et les nanoparticules de silice utilisées, l’adsorption de la myoglobine, de l’hémoglobine et des protéines d’un extrait cellulaire de levure a été étudiée afin de déterminer les paramètres physico-chimiques et thermodynamiques de l’adsorption des protéines sur la silice. Un enrichissement en résidus basiques, regroupés en clusters de charge, favorise l’adsorption des protéines grâce à la formation d’interactions électrostatiques avec la surface chargée de la silice, indépendamment de la charge globale de la protéine. A l’inverse, un enrichissement en résidus aromatiques est défavorable à l’adsorption car ces résidus forment des interactions π-π qui rigidifient la structure de la protéine. L’identification des protéines adsorbées et non adsorbées à partir d’un milieu complexe pourrait également être utilisée pour les études de toxicité cellulaire. A partir de l’étude de la structure, de la dynamique et de l’activité de la myoglobine et de l’hémoglobine adsorbées sur les nanoparticules de silice, nous avons cherché à définir l’état d’une protéine adsorbée. L’étude de la structure, réalisée par dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-visible, d’absorption X, infrarouge, fluorescence et microcalorimétrie, montre une perte partielle de structure importante des protéines adsorbées associée à une grande hétérogénéité de conformations, sans modification majeure de la structure de l’hème. Deux sites potentiels d’interaction entre myoglobine et nanoparticules de silice ont été identifiés à l’aide d’une technique de cartographie de surface par irradiation. L’étude de la dynamique de la myoglobine adsorbée par diffusion élastique et inélastique de neutrons a permis de montrer que l’adsorption s’accompagnait d’une diminution importante de la flexibilité de la protéine. Malgré la perte de structure, la metmyoglobine adsorbée conserve une activité de fixation de ligands très proche de celle de la protéine libre. L’hémoglobine adsorbée présente de façon inattendue une augmentation de son affinité pour l’oxygène et une diminution de sa coopérativité, sans dissociation du tétramère. Cet effet est reproductible lors de l’adsorption de l’hémoglobine humaine, de l’hémoglobine pontée DCL et de l’hémoglobine mutée S. Deux effecteurs permettent par ailleurs de moduler l’affinité de l’hémoglobine adsorbée. Aussi importantes soient-elles, les modifications de structure et d’activité observées sont entièrement réversibles après désorption dans des conditions douces. L’adsorption des hémoprotéines sur les nanoparticules de silice représente véritablement un nouveau type de stress avec résilience pour les protéines en termes de relations entre structure, dynamique et activité

Protein adsorption on nanomaterials. Biochemistry and physical-chemistry of a new stress

Les nanomatériaux posent de nouvelles questions en termes de toxicologie humaine et environnementale et représentent une nouvelle interface avec le milieu biologique aux propriétés spécifiques. De nombreuses inconnues demeurent, en particulier à l’échelle moléculaire, pour permettre d’expliquer certains mécanismes de toxicité. Lorsqu’elles entrent en contact avec le milieu biologique, les nanoparticules se couvrent d’une couche de protéines adsorbées. Celle-ci leur confère une nouvelle « identité biologique » qui contrôle la réponse cellulaire et leur devenir au sein de l’organisme. Nous avons étudié l’adsorption de protéines modèles sur la silice nanostructurée. Après avoir caractérisé la silice nanoporeuse et les nanoparticules de silice utilisées, l’adsorption de la myoglobine, de l’hémoglobine et des protéines d’un extrait cellulaire de levure a été étudiée afin de déterminer les paramètres physico-chimiques et thermodynamiques de l’adsorption des protéines sur la silice. Un enrichissement en résidus basiques, regroupés en clusters de charge, favorise l’adsorption des protéines grâce à la formation d’interactions électrostatiques avec la surface chargée de la silice, indépendamment de la charge globale de la protéine. A l’inverse, un enrichissement en résidus aromatiques est défavorable à l’adsorption car ces résidus forment des interactions π-π qui rigidifient la structure de la protéine. L’identification des protéines adsorbées et non adsorbées à partir d’un milieu complexe pourrait également être utilisée pour les études de toxicité cellulaire. A partir de l’étude de la structure, de la dynamique et de l’activité de la myoglobine et de l’hémoglobine adsorbées sur les nanoparticules de silice, nous avons cherché à définir l’état d’une protéine adsorbée. L’étude de la structure, réalisée par dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-visible, d’absorption X, infrarouge, fluorescence et microcalorimétrie, montre une perte partielle de structure importante des protéines adsorbées associée à une grande hétérogénéité de conformations, sans modification majeure de la structure de l’hème. Deux sites potentiels d’interaction entre myoglobine et nanoparticules de silice ont été identifiés à l’aide d’une technique de cartographie de surface par irradiation. L’étude de la dynamique de la myoglobine adsorbée par diffusion élastique et inélastique de neutrons a permis de montrer que l’adsorption s’accompagnait d’une diminution importante de la flexibilité de la protéine. Malgré la perte de structure, la metmyoglobine adsorbée conserve une activité de fixation de ligands très proche de celle de la protéine libre. L’hémoglobine adsorbée présente de façon inattendue une augmentation de son affinité pour l’oxygène et une diminution de sa coopérativité, sans dissociation du tétramère. Cet effet est reproductible lors de l’adsorption de l’hémoglobine humaine, de l’hémoglobine pontée DCL et de l’hémoglobine mutée S. Deux effecteurs permettent par ailleurs de moduler l’affinité de l’hémoglobine adsorbée. Aussi importantes soient-elles, les modifications de structure et d’activité observées sont entièrement réversibles après désorption dans des conditions douces. L’adsorption des hémoprotéines sur les nanoparticules de silice représente véritablement un nouveau type de stress avec résilience pour les protéines en termes de relations entre structure, dynamique et activité.Nanomaterials raise new questions in environmental and human toxicology and represent a novel interface with specific properties with the biological medium. Several unknown remain to explain all the mechanisms of toxicity, especially at the molecular lever. When they enter the biological medium, nanoparticles get covered by a protein corona. This corona yields to a new “biological identity” that controls the cellular response to nanoparticles and their fate in the organism. We studied the adsorption of model proteins on nanostructured silica. The first part is dedicated to the characterization of nanoporous silica and silica nanoparticles that we used. Then the adsorption of myoglobin, hemoglobin and protein mixture from yeast cells was studied to determine the thermodynamic and physical-chemical parameters of protein adsorption on silica. The enrichment of basic residues, gathered in charge clusters, favors the adsorption of proteins by the formation of electrostatic interactions with the charged surface of silica, independently of the global charge of the protein. On the contrary, the enrichment in aromatic residues is unfavorable to protein adsorption because they form π-π interactions that rigidify the protein structure. The identification of adsorbed and non-adsorbed proteins from a complex medium could also be used for cellular toxicity studies. From the study of the structure, the dynamics and the activity of myoglobin and hemoglobin adsorbed on silica nanoparticles, we tried to define the state of an adsorbed protein. The structural study, based on circular dichroism, fluorescence, infrared, X-ray and UV-visible spectroscopy and microcalorimetry, shows a substantial partial structure loss of adsorbed proteins together with a high conformational heterogeneity, without major modifications of the heme structure. Two potential interaction sites of myoglobin with silica nanoparticles have been identified by a footprinting technique. The study of adsorbed myoglobin dynamics by elastic and inelastic neutron scattering highlighted the important decrease of protein dynamics that occurs upon adsorption. However, despite the structure loss, adsorbed metmyoglobin retains almost all of its activity of ligand binding. Unexpectedly, adsorbed hemoglobin shows an increase of its oxygen affinity and a decrease of its cooperativity, without any dissociation of the tetramer. This effect can be reproduced on human hemoglobin, cross-linked DCL hemoglobin and variant S hemoglobin. Besides, two effectors allow modulating the affinity of adsorbed hemoglobin. Despite the extent of structural and activity changes, all these modifications are entirely reversible upon desorption in soft conditions. The adsorption of hemoproteins on silica nanoparticles depicts a new sort of stress with resilience for proteins in terms of structure, dynamics and activity relationship

Spectroscopie et imagerie raman : des matériaux quantiques à la matière vivante

La spectroscopie Raman a déjà une longue histoire dans les études vibrationnelles des structures moléculaires et cristallines. Après une brève introduction historique, nous décrivons quelques développements récents de cette technique dans l’étude des matériaux quantiques comme les supraconducteurs. Nous abordons ensuite l’extension de cette technique à l’imagerie Raman confocale qui est maintenant devenue son application principale et que nous illustrons sur l’exemple des matériaux 2D et du vivant

Structure and Function of Adsorbed Hemoglobin on Silica Nanoparticles: Relationship between the Adsorption Process and the Oxygen Binding Properties

International audienceThe connection between the mechanisms of protein adsorption on nanoparticles and the structural and functional properties of the adsorbed protein often remains unclear. We investigate porcine hemoglobin adsorption on silica nanoparticles and we analyze the structural and functional modifications of adsorbed hemoglobin by UV-vis spectrophotometry, circular dichroism and oxygen binding measurement. The structural analysis of adsorbed hemoglobin on silica nanoparticles reveals a significant loss of secondary structure and a preservation of the heme electronic structure. However, adsorbed hemoglobin retains its quaternary structure and exhibits an enhanced oxygen affinity with cooperative binding. Moreover, the structural and functional modifications are fully reversible after complete desorption from silica nanoparticles at pH 8.7. The tunable adsorption and desorption of hemoglobin on SNPs with pH change, and the full control of hemoglobin activity by pH, temperature and the addition of inorganic phosphate effectors opens the way to an interesting system whereby protein adsorption on nanoparticles can allow for full control over hemoglobin oxygen binding activity. Our results suggest that adsorption of hemoglobin on silica nanoparticles leads to a new structural, functional and dynamic state with full reversibility in a way that significantly differs from protein denaturation. TEX

Stability and dispersibility of microplastics in experimental exposure medium and their dimensional characterization by SMLS, SAXS, Raman microscopy, and SEM

International audienceThe plastic production that contributes to the global plastic reservoir presents a major challenge for society in managing plastic waste and mitigating the environmental damage of microplastic (MP) pollution. In the environment, the formation of biomolecular corona around MPs enhance the stability of MP suspensions, influencing the bioavailability and toxicity of MPs. Essential physical properties including MP stability, dispersibility, agglomeration, and dimensional size must be precisely defined and measured in complex media taking into account the formation of a protein corona. Using static multiple light scattering (SMLS), small angle X-ray scattering (SAXS), Raman microscopy, and scanning electron microscopy (SEM), we measured the particle size, density, stability, and agglomeration state of polyethylene and polypropylene MPs stabilized in aqueous suspension by BSA. SEM analysis revealed the formation of nanoplastic debris as MP suspensions aged. Our results suggest that protein adsorption favors the formation of secondary nanoplastics, potentially posing an additional threat to ecosystems. This approach provides analytical methodologies by integrating SEM, SMLS, and SAXS, for characterizing MP suspensions and highlights the effect of the protein corona on size measurements of micro/nanoplastics. Our analysis demonstrates the detectability of secondary nanoplastics by SEM, paving the way for monitoring and controlling human exposure

Silver Nanoparticles Induce a Triclosan-Like Antibacterial Action Mechanism in Multi-Drug Resistant Klebsiella pneumoniae

International audienceInfections associated with antimicrobial-resistant bacteria now represent a significant threat to human health using conventional therapy, necessitating the development of alternate and more effective antibacterial compounds. Silver nanoparticles (Ag NPs) have been proposed as potential antimicrobial agents to combat infections. A complete understanding of their antimicrobial activity is required before these molecules can be used in therapy. Lysozyme coated Ag NPs were synthesized and characterized by TEM-EDS, XRD, UV-vis, FTIR spectroscopy, zeta potential, and oxidative potential assay. Biochemical assays and deep level transcriptional analysis using RNA sequencing were used to decipher how Ag NPs exert their antibacterial action against multi-drug resistant Klebsiella pneumoniae MGH78578. RNAseq data revealed that Ag NPs induced a triclosan-like bactericidal mechanism responsible for the inhibition of the type II fatty acid biosynthesis. Additionally, released Ag+ generated oxidative stress both extra- and intracellularly in K. pneumoniae. The data showed that triclosan-like activity and oxidative stress cumulatively underpinned the antibacterial activity of Ag NPs. This result was confirmed by the analysis of the bactericidal effect of Ag NPs against the isogenic K. pneumoniae MGH78578 ΔsoxS mutant, which exhibits a compromised oxidative stress response compared to the wild type. Silver nanoparticles induce a triclosan-like antibacterial action mechanism in multi-drug resistant K. pneumoniae. This study extends our understanding of anti-Klebsiella mechanisms associated with exposure to Ag NPs. This allowed us to model how bacteria might develop resistance against silver nanoparticles, should the latter be used in therapy