Etude des propriétés photophysiques de dérivés de l’oxyluciférine et leurs applications à l’étude d’interactions entre biomolécules

In this work, we investigated the emission mechanism of the optically active part of the firefly luciferin-luciferase complex. This bioluminescent system is widely used in bioanalytical assay. This amazing natural phenomenon results in the emission of visible light (yellow-green-red) from the photoproduct Oxyluciferin. This color tuning mechanism involves six chemical species, but their active involvement in the excited state proton transfer (ESPT) mechanism was poorly understood so far. One of the main finding presented here relies on the identification of six chemical forms of Oxyluciferin involved in the color tuning fluorescence emission mechanism. This result was obtained by studying the optical properties of different structural analogues of firefly Oxyluciferin in aqueous buffer. Different spectroscopic (steady state and time-resolved) and chemometric approaches have been applied to reveal the emission mechanism. In addition, the photophysical properties of Oxyluciferin in complex with the Luciferase enzyme Luciola cruciata have been studied in aqueous buffer as well. In parallel, derivatives displaying environment sensitive emission were used to monitor biomolecular interactions. In particular, we demonstrated that Oxyluciferin can be employed to map intracellular pH by using fluorescence microscopy within living cells. With the help of another Oxyluciferin derivative we were able to monitor the interaction between a HIV-1 protein and different oligonucleotide sequences by means of ratiometric measurements. Finally we develop an approach based on cysteine labeling to monitor in vitro protein-protein interaction.Dans ce travail, nous avons étudié le mécanisme d'émission de la partie optiquement active du complexe luciférine-luciférase. Ce système bioluminescent est largement utilisé dans un très grand nombre d'approches bioanalytiques. Ce phénomène naturel résulte en l'émission de lumière visible (vert-jaune-rouge) à partir du photoproduit : l’oxyluciférine. Une des hypothèses couramment admise pour expliquer le mécanisme d’émission de l’oxyluciféreine fait intervenir un équilibre complexe entre six espèces chimiques, mais le détail exact du mécanisme reste à élucider. Les principales conclusions présentées ici repose sur l'identification des six formes chimiques de l’oxyluciférine impliquées dans le mécanisme d'émission de fluorescence et la caractérisation d’un point de vu dynamique du transfert de proton à l’état excité. Ces résultats ont été obtenus par l'étude des propriétés optiques de différents analogues structuraux de l’oxyluciférine dans un tampon aqueux. Différent techniques de spectroscopie (état stable et résolue en temps) et des approches chimiométriques ont été appliquées pour étudier ce mécanisme d'émission. En outre, les propriétés photophysiques de l’oxyluciférine en complexe avec l'enzyme luciférase (Luciola cruciata) ont été étudiées également en milieu aqueux. En parallèle, les dérivés présentant des propriétés d’émission sensibles à l’environnement ont été utilisés pour visualiser l'interaction entre biomolécules. En particulier, nous avons démontré que l’oxyluciférine peut être utilisée pour cartographier le pH intracellulaire à l'aide de la microscopie de fluorescence dans des cellules vivantes. Avec l'aide d'un autre dérivé de l'oxyluciférine nous avons été en mesure de caractériser l'interaction entre une protéine du VIH-1 et des séquences d'oligonucléotide au moyen de mesures ratiométriques. Enfin, nous avons développé une approche basée sur le marquage de résidus cystéine pour suivre, in vitro, l'interaction protéine-protéine

Study of the photophysical properties of oxyluciferin derivatives and their applications to the characterization of interactions between biomolecules

Dans ce travail, nous avons étudié le mécanisme d'émission de la partie optiquement active du complexe luciférine-luciférase. Ce système bioluminescent est largement utilisé dans un très grand nombre d'approches bioanalytiques. Ce phénomène naturel résulte en l'émission de lumière visible (vert-jaune-rouge) à partir du photoproduit : l’oxyluciférine. Une des hypothèses couramment admise pour expliquer le mécanisme d’émission de l’oxyluciféreine fait intervenir un équilibre complexe entre six espèces chimiques, mais le détail exact du mécanisme reste à élucider. Les principales conclusions présentées ici repose sur l'identification des six formes chimiques de l’oxyluciférine impliquées dans le mécanisme d'émission de fluorescence et la caractérisation d’un point de vu dynamique du transfert de proton à l’état excité. Ces résultats ont été obtenus par l'étude des propriétés optiques de différents analogues structuraux de l’oxyluciférine dans un tampon aqueux. Différent techniques de spectroscopie (état stable et résolue en temps) et des approches chimiométriques ont été appliquées pour étudier ce mécanisme d'émission. En outre, les propriétés photophysiques de l’oxyluciférine en complexe avec l'enzyme luciférase (Luciola cruciata) ont été étudiées également en milieu aqueux. En parallèle, les dérivés présentant des propriétés d’émission sensibles à l’environnement ont été utilisés pour visualiser l'interaction entre biomolécules. En particulier, nous avons démontré que l’oxyluciférine peut être utilisée pour cartographier le pH intracellulaire à l'aide de la microscopie de fluorescence dans des cellules vivantes. Avec l'aide d'un autre dérivé de l'oxyluciférine nous avons été en mesure de caractériser l'interaction entre une protéine du VIH-1 et des séquences d'oligonucléotide au moyen de mesures ratiométriques. Enfin, nous avons développé une approche basée sur le marquage de résidus cystéine pour suivre, in vitro, l'interaction protéine-protéine.In this work, we investigated the emission mechanism of the optically active part of the firefly luciferin-luciferase complex. This bioluminescent system is widely used in bioanalytical assay. This amazing natural phenomenon results in the emission of visible light (yellow-green-red) from the photoproduct Oxyluciferin. This color tuning mechanism involves six chemical species, but their active involvement in the excited state proton transfer (ESPT) mechanism was poorly understood so far. One of the main finding presented here relies on the identification of six chemical forms of Oxyluciferin involved in the color tuning fluorescence emission mechanism. This result was obtained by studying the optical properties of different structural analogues of firefly Oxyluciferin in aqueous buffer. Different spectroscopic (steady state and time-resolved) and chemometric approaches have been applied to reveal the emission mechanism. In addition, the photophysical properties of Oxyluciferin in complex with the Luciferase enzyme Luciola cruciata have been studied in aqueous buffer as well. In parallel, derivatives displaying environment sensitive emission were used to monitor biomolecular interactions. In particular, we demonstrated that Oxyluciferin can be employed to map intracellular pH by using fluorescence microscopy within living cells. With the help of another Oxyluciferin derivative we were able to monitor the interaction between a HIV-1 protein and different oligonucleotide sequences by means of ratiometric measurements. Finally we develop an approach based on cysteine labeling to monitor in vitro protein-protein interaction

Study of the photophysical properties of oxyluciferin derivatives and their applications to the characterization of interactions between biomolecules

Dans ce travail, nous avons étudié le mécanisme d'émission de la partie optiquement active du complexe luciférine-luciférase. Ce système bioluminescent est largement utilisé dans un très grand nombre d'approches bioanalytiques. Ce phénomène naturel résulte en l'émission de lumière visible (vert-jaune-rouge) à partir du photoproduit : l’oxyluciférine. Une des hypothèses couramment admise pour expliquer le mécanisme d’émission de l’oxyluciféreine fait intervenir un équilibre complexe entre six espèces chimiques, mais le détail exact du mécanisme reste à élucider. Les principales conclusions présentées ici repose sur l'identification des six formes chimiques de l’oxyluciférine impliquées dans le mécanisme d'émission de fluorescence et la caractérisation d’un point de vu dynamique du transfert de proton à l’état excité. Ces résultats ont été obtenus par l'étude des propriétés optiques de différents analogues structuraux de l’oxyluciférine dans un tampon aqueux. Différent techniques de spectroscopie (état stable et résolue en temps) et des approches chimiométriques ont été appliquées pour étudier ce mécanisme d'émission. En outre, les propriétés photophysiques de l’oxyluciférine en complexe avec l'enzyme luciférase (Luciola cruciata) ont été étudiées également en milieu aqueux. En parallèle, les dérivés présentant des propriétés d’émission sensibles à l’environnement ont été utilisés pour visualiser l'interaction entre biomolécules. En particulier, nous avons démontré que l’oxyluciférine peut être utilisée pour cartographier le pH intracellulaire à l'aide de la microscopie de fluorescence dans des cellules vivantes. Avec l'aide d'un autre dérivé de l'oxyluciférine nous avons été en mesure de caractériser l'interaction entre une protéine du VIH-1 et des séquences d'oligonucléotide au moyen de mesures ratiométriques. Enfin, nous avons développé une approche basée sur le marquage de résidus cystéine pour suivre, in vitro, l'interaction protéine-protéine.In this work, we investigated the emission mechanism of the optically active part of the firefly luciferin-luciferase complex. This bioluminescent system is widely used in bioanalytical assay. This amazing natural phenomenon results in the emission of visible light (yellow-green-red) from the photoproduct Oxyluciferin. This color tuning mechanism involves six chemical species, but their active involvement in the excited state proton transfer (ESPT) mechanism was poorly understood so far. One of the main finding presented here relies on the identification of six chemical forms of Oxyluciferin involved in the color tuning fluorescence emission mechanism. This result was obtained by studying the optical properties of different structural analogues of firefly Oxyluciferin in aqueous buffer. Different spectroscopic (steady state and time-resolved) and chemometric approaches have been applied to reveal the emission mechanism. In addition, the photophysical properties of Oxyluciferin in complex with the Luciferase enzyme Luciola cruciata have been studied in aqueous buffer as well. In parallel, derivatives displaying environment sensitive emission were used to monitor biomolecular interactions. In particular, we demonstrated that Oxyluciferin can be employed to map intracellular pH by using fluorescence microscopy within living cells. With the help of another Oxyluciferin derivative we were able to monitor the interaction between a HIV-1 protein and different oligonucleotide sequences by means of ratiometric measurements. Finally we develop an approach based on cysteine labeling to monitor in vitro protein-protein interaction

Emission Properties of oxyluciferin and Its Derivatives in Water: Revealing the Nature of the Emissive Species in Firefly Bioluminescence

The first systematic steady-state and time-resolved emission study of firefly oxyluciferin (emitter in firefly bioluminescence) and its analogues in aqueous buffers provided the individual emission spectra of all chemical forms of the emitter and the excited-state equilibrium constants in strongly polar environment with strong hydrogen bonding potential. The results confirmed the earlier hypothesis that excited-state proton transfer from the enol group is favored over proton transfer from the phenol group. In water, the phenol-keto form is the strongest photoacid among the isomers and its conjugate base (phenolate-keto) has the lowest emission energy (634 nm). Furthermore, for the first time we observed green emission (525 nm) from a neutral phenol-keto isomer constrained to the keto form by cyclopropyl substitution. The order of emission energies indicates that in aqueous solution a second deprotonation at the phenol group after the enol group had dissociated (that is, deprotonation of the phenol-enolate) does not occur in the first excited state. The pH-dependent emission spectra and the time-resolved fluorescence parameters revealed that the keto-enol tautomerism reaction, which can occur in a nonpolar environment (toluene) in the presence of a base, is not favored in water.status: publishe

Molecular gating of an engineered enzyme captured in real time

Enzyme engineering tends to focus on the design of active sites for the chemical steps, while the physical steps of the catalytic cycle are often overlooked. Tight binding of a substrate in an active site is beneficial for the chemical steps, whereas good accessibility benefits substrate binding and product release. Many enzymes control the accessibility of their active sites by molecular gates. Here we analyzed the dynamics of a molecular gate artificially introduced into an access tunnel of the most efficient haloalkane dehalogenase using pre-steady-state kinetics, single-molecule fluorescence spectroscopy, and molecular dynamics. Photoinduced electron-transfer fluorescence correlation spectroscopy (PET-FCS) has enabled real-time observation of molecular gating at the single-molecule level with rate constants (k(on) = 1822 s(-1), k(off) = 60 s(-1)) corresponding well with those from the pre-steady-state kinetics (k(-1) = 1100 s(-1), k(1) = 20 s(-1)). The PET-FCS technique is used here to study the conformational dynamics in a soluble enzyme, thus demonstrating an additional application for this method. Engineering dynamical molecular gates represents a widely applicable strategy for designing efficient biocatalysts

Oxyluciferin Derivatives: A Toolbox of Environment-Sensitive Fluorescence Probes for Molecular and Cellular Applications

In this work, we used firefly oxyluciferin (<b>OxyLH</b>_<b>2</b>) and its polarity-dependent fluorescence mechanism as a sensitive tool to monitor biomolecular interactions. The chromophores, <b>OxyLH</b>_<b>2</b>, and its two analogues, <b>4-MeOxyLH</b> and <b>4,6′-DMeOxyL</b>, were modified trough carboxylic functionalization and then coupled to the N-terminus part of Tat and NCp7 peptides of human immunodeficiency virus type-1 (HIV-1). The photophysical properties of the labeled peptides were studied in live cells as well as in complex with different oligonucleotides in solution. By monitoring the emission properties of these derivatives we were able, for the first time, to study <i>in vitro</i> biomolecular interactions using oxyluciferin as a sensor. As an additional application, cyclopropyl-oxyluciferin (<b>5,5-Cpr-OxyLH</b>) was site-specifically conjugated to the thiol group (Cys-232) of the human protein α-1 antytripsin to investigate its interaction with porcine pancreatic elastase. Our data demonstrate that <b>OxyLH</b>_<b>2</b> and its derivatives can be used as fluorescence reporters for monitoring biomolecular interactions