The alkaline transition of cytochrome c revisited: Effects of electrostatic interactions and tyrosine nitration on the reaction dynamics

Here we investigated the effect of electrostatic interactions and of protein tyrosine nitration of mammalian cytochrome c on the dynamics of the so-called alkaline transition, a pH- and redox-triggered conformational change that implies replacement of the axial ligand Met80 by a Lys residue. Using a combination of electrochemical, time-resolved SERR spectroelectrochemical experiments and molecular dynamics simulations we showed that in all cases the reaction can be described in terms of a two steps minimal reaction mechanism consisting of deprotonation of a triggering group followed by ligand exchange. The pK a alk values of the transition are strongly modulated by these perturbations, with a drastic downshift upon nitration and an important upshift upon establishing electrostatic interactions with a negatively charged model surface. The value of pK a alk is determined by the interplay between the acidity of a triggering group and the kinetic constants for the forward and backward ligand exchange processes. Nitration of Tyr74 results in a change of the triggering group from Lys73 in WT Cyt to Tyr74 in the nitrated protein, which dominates the pK a alk downshift towards physiological values. Electrostatic interactions, on the other hand, result in strong acceleration of the backward ligand exchange reaction, which dominates the pK a alk upshift. The different physicochemical conditions found here to influence pK a alk are expected to vary depending on cellular conditions and subcellular localization of the protein, thus determining the existence of alternative conformations of Cyt in vivo.Fil: Oviedo Rouco, Santiago. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Castro, Maria Ana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Álvarez Paggi, Damián Jorge. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Spedalieri, Ana Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Tortora, Verónica. Universidad de la República; UruguayFil: Tomasina, Florencia. Universidad de la República; UruguayFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Protein corona on biogenic silver nanoparticles provides higher stability and protects cells from toxicity in comparison to chemical nanoparticles

The development of environmentally friendly new procedures for the synthesis of metallic nanoparticles is one of the main goals of nanotechnology. Proteins and enzymes from plants, filamentous fungi, yeast, and bacteria to produce nanoparticles are both valuable and viable alternatives to conventional synthesis of nanomaterials due to their high efficiency and the low cost to scale up and generate large quantities. The aim of this work is to compare biogenic silver nanoparticles (AgNPs) obtained from cell-free filtrates from the fungus Macrophomina phaseolina to conventional chemical AgNPs, in biocidal activity and toxicity. Our results show that bio-AgNPs displayed similar bactericidal activity than chemical AgNPs, but less toxicity in the model organism Caenorhabditis elegans. We employed biochemical and proteomic techniques to profile the unique surface chemistry of the capping in the bio-AgNPs and therefore to identify the proteins involved in their synthesis and stability. These results not only suggest that the proteins involved in the synthesis of the nanoparticles and corona formation in the bio-AgNPs are responsible for keeping the silver core preserved making them more stable in time, but also masking and protecting eukaryotic cells from metal toxicity.Fil: Spagnoletti, Federico Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales; ArgentinaFil: Kronberg, Maria Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales; ArgentinaFil: Spedalieri, Ana Cecilia. Humboldt-Universität zu Berlin; Alemania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Munarriz, Eliana Rosa. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales; ArgentinaFil: Giacometti, Romina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales; Argentin

Electron transfer and conformational transitions of cytochrome c are modulated by the same dynamical features

Cytochrome c is a prototypical multifunctional protein that is implicated in a variety of processes that are essential both for sustaining and for terminating cellular life. Typically, alternative functions other than canonical electron transport in the respiratory chain are associated to alternative conformations. In this work we apply a combined experimental and computational study of Cyt c variants to assess whether the parameters that regulate the canonical electron transport function of Cyt c are correlated with those that determine the transition to alternative conformations, using the alkaline transition as a model conformational change. The results show that pKa values of the alkaline transition correlate with the activation energies of the frictionally-controlled electron transfer reaction, and that both parameters are mainly modulated by the flexibility of the Ω-loop 70–85. Reduction potentials and non-adiabatic ET reorganization energies, on the other hand, are both modulated by the flexibilities of the Ω-loops 40–57 and 70–85. Finally, all the measured thermodynamic and kinetic parameters that characterize both types of processes exhibit systematic variations with the dynamics of the hydrogen bond between the axial ligand Met80 and the second sphere ligand Tyr67, thus highlighting the critical role of Tyr67 in controlling canonical and alternative functions of Cyt c.Fil: Oviedo Rouco, Santiago. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Perez Bertoldi, Juan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Spedalieri, Ana Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Castro, Maria Ana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Tomasina, Florencia. Universidad de la República; UruguayFil: Tortora, Verónica. Universidad de la República; UruguayFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Formation of metallic nanoparticles mediated by microalgae in suspension and encapsulated in hydrogels

El objetivo principal de este trabajo es estudiar y aprovechar la capacidad de distintas especies de microalgas para biosintetizar nanopartículas (NPs) de metales nobles (oro, platino y paladio), poniendo énfasis en los parámetros que controlan los procesos de nucleación y crecimiento. El trabajo se abordó desde dos enfoques complementarios: i) reducción química empleando biomoléculas que condicionan la morfología y dimensión de las NPs resultantes; ii) la biosíntesis a partir de los iones en solución mediada por microalgas en cultivos líquidos o encapsuladas en matrices de sílica y alginato. La motivación de esta tesis es contribuir al desarrollo de (bio)reactores para la recuperación de metales preciosos presentes en efluentes industriales o en aguas naturales. Tomando como punto de partida la síntesis de NPs de oro, de rápida caracterización espectroscópica, se trabajó con microalgas verdes para evaluar el rol del aparato fotosintético en los primeros estadíos de la reducción de los metales. Se utilizaron tres especies: Chlorella vulgaris, Kirchneriella lunaris y Chlamydomonas reinhardtii, consideradas modelo en estudios fotosintéticos y resistentes a altas concentraciones de cationes. Una diferencia importante entre éstas es el tipo de polisacárido que sintetizan, y su excreción y acumulación en la pared celular que pueden ser determinantes de la resistencia a la toxicidad de cationes y a la distribución de tamaño y/o de forma de las NPs biosintetizadas. Se analizaron las características morfológicas y dimensionales de las partículas y su dependencia con la concentración del catión, con el pH, con la especie utilizada y el tiempo del fotoperíodo. Se realizó un estudio sistemático de estas variables y se analizó el rol de pequeños hidratos de carbono y aminoácidos en la síntesis química de NPs de oro, pudiéndose determinar algunas de las condiciones de concentración de biomoléculas y pH que llevan a NPs cuasi esféricas de pocos nm o a “plateletas” triangulares de decenas de nm. A partir de estos resultados, se pudo establecer cualitativamente el rol de estas variables en los procesos de nucleación y crecimiento. A partir de la comprensión del proceso de reducción y posterior crecimiento de NPs de oro, se extendió esta metodología a NPs de platino y paladio, poco explorada con microalgas. La reducción de estos cationes tiene un mecanismo más complejo que involucra la formación intracelular de clusters que crecen tras ser excretados por las células. Por último, se estudió la biosíntesis de NPs metálicas mediada por microalgas encapsuladas en matrices de sílica y alginato. El estudio detallado de la interacción entre los cationes precursores, el alginato y la matriz mineral permitió la optimización de estas plataformas para la biosíntesis en espacios confinados. La difusión desde el medio externo de cationes nobles y la biosíntesis exitosa de NPs por las microalgas encapsuladas resulta en un avance prometedor hacia la utilización de microorganismos encapsulados para la recuperación de metales.The main goal of the present work is to explore the ability of different species of microalgae to biosynthesize noble metal (gold, platinum, palladium) nanoparticles (NPs), with particular focus on factors that affect nucleation and growth. This research was based on two complementary approaches based on ionic metallic precursors dissolved in water: i) chemical reduction with biomolecules that determine morphology and size of the resulting NPs; ii) biosynthesis mediated by microalgae in liquid medium or encapsulated in silica-alginate matrices. The incentive for this thesis is to contribute to the development of (bio)reactors for precious metals recovery from industrial effluents or natural waters. Taking as a starting point the synthesis of gold NPs, easier thanks to a fast spectroscopic characterization, we worked with green microalgae to evaluate the role of the photosynthetic apparatus in the early stages of metal reduction. Three species were employed: Chlorella vulgaris, Kirchneriella lunaris y Chlamydomonas reinhardtii, considered model microorganisms for photosynthetic studies and resistant to high cation concentrations. One of the differences between them is the type of polysaccharides they synthesize, and its excretion and accumulation in the cell wall can be determinant for cation toxicity resistance, and size and shape distribution of biosynthesized NPs. The morphological and dimensional characteristics of the particles and their dependence with cation concentration, pH, species and photoperiod were analyzed. A systematic study of these variables was carried out, and the role of small carbohydrates and aminoacids in gold NPs chemical synthesis was analyzed, allowing the determination of some conditions as biomolecule concentration or pH that drive to quasi-spherical NPs of a few nm or to triangular “plates” of several nm. With these results, we could qualitatively establish the role of these variables in the processes of nucleation and growth. From the understanding of the process of reduction and latter growth of gold NPs, this methodology was extended towards the study of platinum and palladium NPs, yet underexplored with microalgae. Reduction of these cations has a more complex mechanism, which involves intracellular clusters formation that grow once excreted by the cells. Finally, biosynthesis of metallic NPs by microalgae encapsulated in silica-alginate matrices was studied. A detailed analysis of interactions between precursor cations, alginate and the mineral matrix allowed the optimization of these platforms for biosynthesis in confined spaces. Diffusion of noble cations from external media and successful biosynthesis of NPs by encapsulated microalgae results in a promising step towards the use of encapsulated microorganisms for metal recovery.Fil:Spedalieri, Ana Cecilia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Extracellular biosynthesis of bactericidal Ag/AgCl nanoparticles for crop protection using the fungus Macrophomina phaseolina

Synthesis of noble metal nanoparticles using natural products and living organisms has drawn a lot of interest owing to economic prospects and potential applicability in different fields. For this work we used the exudate of the soil fungus Macrophomina phaseolina for a low-cost method of green synthesis to obtain stable silver-silver chloride nanoparticles (Ag/AgCl-NPs). Reaction parameters including media and AgNO3 concentration were further optimized for NPs production. Spectral analysis revealed a peak at 420 nm that corresponds to the surface plasmon resonance of silver NPs. Scanning electron microscopy (SEM) analysis unveiled NPs spherical morphology with a size range of 5–30 nm. The crystalline nature of the synthesized NPs was examined by X-ray diffraction (XRD) analysis. The green synthesized NPs showed activity against gram-positive and gram-negative bacteria. No effect in fungi or yeast cells was detected, though a high inhibitory effect was observed on bacteria growth kinetics. Interaction of bacteria with Ag/AgCl-NPs led to cell membrane damage as observed by SEM, followed by an increase in oxidative stress, being this the possible mechanism behind the strong bactericidal activity depicted. In order to test its possible applicability as a seed protection agent the effect of Ag/AgCl-NPs dosage on soybean (Glycine max L.) seed's germination was also examined. Interestingly, not only the germination process was not affected by the NPs dosage or time of seeds incubation, but also no oxidative damage was detected in seeds after exposure to the biogenic nanoparticles.Fil: Spagnoletti, Federico Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales; ArgentinaFil: Spedalieri, Ana Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Kronberg, Maria Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales; ArgentinaFil: Giacometti, Romina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía. Instituto de Investigaciones en Biociencias Agrícolas y Ambientales; Argentin

Surface influence on the metalation of porphyrins at the solid-liquid interface

The insertion of a metal atom in the central cavity of adsorbed porphyrins is an important subject as it allows specific control over the functionality of the molecule. In this work, metalation of protoporphyrin IX (PPIX) molecules bonded directly to a Au(111) surface or to a self-assembled monolayer (SAM) on Au(111) was studied at the solid-liquid interface. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scannning tunneling microscopy demonstrate that the molecules bind to the SAM without forming aggregates and with a surface coverage below the monolayer. Nearedge X-ray absorption fine structure spectroscopy and surface-enhanced resonance Raman spectroscopy demonstrate that the molecules are bonded to the SAM with a tilted molecular plane. XPS measurements show that PPIX molecules bonded to the SAM and exposed to Zn2+ containing aqueous solutions are metalated to a small extent at room temperature and fully metalated at 350 K. In contrast, PPIX molecules adsorbed directly to the Au(111) surface are fully metalated at room temperature. These results show that surface-molecule interactions could have an impact on the metalation of porphyrin molecules.Fil: Fernández, Cynthia Carolina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Spedalieri, Ana Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Williams, Federico José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

CeO 2 nanoparticles for the protection of photosynthetic organisms immobilized in silica gels

Synthetic cytocompatible CeO 2 nanoparticles embedded in transparent silica hydrogels are useful for creating inorganic supports favoring the long-term entrapment of living Chlorella vulgaris cells. The key protective role of nanoparticles is twofold: (1) They efficiently absorb harmful UV radiation without scattering the useful visible one. (2) They limit oxidative stress damage, such as that induced by H 2 O 2 , thanks to the surface redox Ce 3+ -Ce 4+ reactivity of nanoparticles. © 2011 American Chemical Society.Fil: Sicard, Clémence. Universite de Paris VI; Francia. Université Paris Diderot - Paris 7; FranciaFil: Perullini, Ana Mercedes. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Spedalieri, Ana Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Coradin, Thibaud. Universite de Paris VI; FranciaFil: Brayner, Roberta. Université Paris Diderot - Paris 7; FranciaFil: Livage, Jacques. Universite de Paris VI; FranciaFil: Jobbagy, Matias. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Centro Interdisciplinario de Nanociencia y Nanotecnología; ArgentinaFil: Aldabe, Sara Alfonsina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Centro Interdisciplinario de Nanociencia y Nanotecnología; Argentin