Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Protéines – Adsorption“

Les nanoparticules sont de plus en plus présentes dans notre quotidien et leur présence dans les organismes vivants est aujourd’hui avérée. Aussi, dans un milieu biologique, des protéines recouvrent spontanément la surface des nanoparticules pour former une couronne de protéines. Suivant la composition de cette couronne, une nanoparticule acquiert une "identité biologique" spécifique qui peut conditionner sa biodistribution ainsi que son éventuelle toxicité.De nombreuses zones d’ombre persistent quant à la connaissance des mécanismes d’adsorption des protéines sur les nanoparticules. Deux caractéristiques physico-chimiques, peu abordées jusqu’à maintenant, ont été étudiées ici : la taille des protéines et la présence de modification post-traductionnelles. Aussi, du fait de leur forte utilisation, nous nous sommes concentrés sur les nanoparticules de silice (SiNPs).L’adsorption d’hémoprotéines, de nature similaire mais de tailles différentes, sur des SiNPs, elles-mêmes de tailles différentes, a été étudiée. Les isothermes d’adsorption et les titrations calorimétriques ont notamment montré qu’il existe une relation entre la taille des protéines et leur affinité pour une surface de silice. Des différences plus fines ont aussi pu être observées selon la taille des nanoparticules. Une analyse structurale des protéines adsorbées a également été effectuée par dichroïsme circulaire et diffusion de neutrons aux petits angles. Les hémoprotéines apparaissent comme des protéines très structurées qui sont peu affectées par l’adsorption. Cependant, bien que la structure quaternaire soit conservée, des modifications structurales sont observables.Des études faites en présence de mélanges de protéines (extraits de protéines de levure) ainsi que de peptides de synthèse ont également montré le rôle important de la diméthylation asymétrique de l’arginine sur l’interaction protéines/SiNPs. L’utilisation d’un panel de techniques expérimentales et de simulations a permis de comprendre le mécanisme responsable de la forte affinité de peptides contenant cette méthylation particulière. De façon plus générale, nos travaux suggèrent que les modifications post-traductionnelles peuvent influencer notablement les interactions de biomolécules avec des surfaces minérales
Nanoparticles are ubiquitous in our environment and their presence inside our bodies is now established. Besides, in a biological medium, nanoparticles are spontaneously covered by proteins that form the so-called protein corona. Depending on the corona composition, a nanoparticle will possess a specific "biological identity" conditioning its biodistribution as well as its potential toxicity.Despite being highly studied, many aspects of the protein adsorption mechanisms remain unknown. Here we particularly focused on the influence of two physicochemical characteristics, which had rarely been addressed: protein size and post-translational modifications. Also, because of their intensive use, we worked on silica nanoparticles (SiNPs).We studied the adsorption of hemoproteins on SiNPs, both of them having different sizes. Adsorption isotherms and calorimetry studies showed a relationship between the protein size and its affinity towards silica surfaces. Finer differences could also be observed by varying the SiNPs size. Additionally, structural analyses of adsorbed proteins were performed using circular dichroism and small-angle neutron scattering. The adsorption of hemoproteins, which are well-structured proteins, seems to have little effects on their structure. However, even though the quaternary structure is maintained, structural modifications can be seen.Using yeast protein extracts and synthetic peptides, the major role of arginine asymmetric dimethylation on proteins/SiNPs interaction could be established. The use of experimental and simulation techniques allowed us to understand the mechanism responsible for the high affinity of peptides having this peculiar methylation. As a whole, this work suggests that post-translational modifications can influence considerably the interactions between biomolecules and mineral surfaces

Les colloïdes sont utilisés dans de nombreuses applications médicales tels les agents de contraste en IRM ou l'immuno-agglutination magnétique dans le diagnostic. Pour en améliorer leurs performances, l'interaction entre les particules et les milieux biologiques - en particulier les protéines - a été étudiée depuis plus de 150 ans ; mais ce phénomène n'est toujours pas correctement décrit. La première partie de cette thèse est dédiée à une des applications des colloïdes : la détection de protéines cible. Basée sur l'orientation d'agrégats magnétiques anisotropes, une nouvelle méthode a été mise au point, permettant de mesurer un signal d'agrégation uniquement proportionnel à la quantité de protéines à doser, la limite de détection est donc abaissée. Cette technique a été validée sur un système réel : la protéine C-réactive. La seconde partie de cette thèse est consacrée à l'adsorption des protéines sur les colloïdes. Le premier objectif a été la mise au point d'un protocole de mesure capable de fournir des données fiables ; l'adsorption a ainsi pu être caractérisée sur un système modèle, l'albumine de sérum bovin sur la silice. Les mesures obtenues ont ainsi permis de lever certains paradoxes et de proposer un nouveau modèle d'adsorption. Enfin, ces connaissances ont permis de comprendre comment des protéines, en s'adsorbant sur deux particules, agrègent les colloïdes. En quantité suffisante, elles peuvent également les protéger de l'agrégation, ouvrant la voie à une nouvelle méthode de stabilisation des particules.

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.

Deux proteines d'oxydoreduction, la flavodoxine et le cytochrome c#3, partenaires dans la chaine de transporteurs d'electrons de desulfovibrio vulgaris hildenborough (d. V. H. ), ont ete etudiees par des techniques electrochimiques afin d'apporter une contribution a l'etude des mecanismes de transfert d'electrons a l'interieur de cette bacterie. On a montre dans un premier travail que la flavine mononucleotide (fmn) groupement prosthetique de la flavodoxine, s'adsorbait fortement a la surface des electrodes, en couches compactes. Le probleme de la determination des potentiels d'oxydoreduction de la flavodoxine de d. V. H. Par voltammetrie est partiellement resolu, par l'addition de cations polyvalents qui ont pour effet d'activer le transfert electronique entre electrode et proteine chargee negativement. Ce procede a permis de determiner le potentiel correspondant a la deuxieme etape d'oxydoreduction, c'est-a-dire semiquinone/hydroquinone avec e#0#2=0,43 v/nhe. L'adsorption du cytochrome c#3 a ete mise en evidence aussi bien a l'electrode de mercure que de graphite pyrolytique (gp). La technique de transfert de film a permis d'obtenir des electrodes modifiees aux proprietes diverses: suivant les cas l'electrode modifiee peut presenter un effet inhibiteur, promoteur ou pas d'effet du tout. L'electrode modifiee cyt. C#3d. V. H. /gp presente un effet promoteur vis-a-vis des systemes lents tels que les ferredoxines ou la flavodoxine

La cinétique d'adsorption des protéines sur un immunoadsorbant a été étudiée par une nouvelle méthode chromatographique. La théorie, récemment développée au laboratoire, suppose une loi cinétique du second ordre de type Langmuir. Elle est basée expérimentalement sur la détermination et l'étude de la fraction non retenue d'un soluté injecté sur une colonne chromatographique. Cette théorie a été appliquée à l'étude du processus cinétique d'association d'un antigène sur un anticorps immobilisé. Le système étudié est constitué de l'albumine humaine et de l'anticorps anti-albumine humaine. L’immobilisation de l'anticorps a été préférée à l'immobilisation de l'antigène car cette approche permet d'une part d'étudier sur une même colonne chromatographique l'influence de différents paramètres sur la reconnaissance antigène-anticorps, et d'autre part de consommer très peu d'anticorps. Des colonnes d'anticorps polyclonal ayant des capacités variables ont été préparées. La comparaison des résultats obtenus sur ces colonnes par analyse du dédoublement du pic d'élution et par analyse frontale permet de valider la nouvelle technique chromatographique. L’étude cinétique effectuée à l'aide de la méthode du dédoublement du pic d'élution permet de dissocier le phénomène cinétique d'adsorption dû au transfert de matière à travers le film stagnant de celui caractérisant effectivement l'association. Après avoir étudié l'adsorption de l'albumine sur l'anticorps polyclonal, nous nous sommes intéressés à l'adsorption sur des anticorps monoclonaux. La présence d'une substance qui se lie à l'albumine peut modifier son adsorption sur un anticorps. L’étude cinétique sur des anticorps monoclonaux de spécificité connue permet de mettre en évidence ce phénomène. La méthode est particulièrement bien adaptée à cette étude dans le cas de l'albumine glycosylée.

Protéines sont largement utilisés dans la formulation dans le domaine pharmaceutique et de jouer un rôle important dans les fonctions biologiques. Il est bien connu que l'adsorption de protéines sur la surface solide est toujours observé pour un stockage à long terme, ce qui entraînera une réduction de la dose de substance active ou une perte de l'activité biologique. Dans certains cas, une courte période de contact avec la surface est suffisante pour modifier fortement la conformation des protéines : par exemple, l'insuline pertes 52% de son activité biologique après 5 minutes de contact avec la surface de verre, ainsi qu'une perte de 30% d’activité biologique du cétrorélix est observé après 2 heures de contact. Parmi tous les paramètres, la dénaturation des protéines est fortement liée à sa stabilité des propriétés de surface. La compréhension de l'adsorption de protéines est devenue une question cruciale dans l'industrie pharmaceutique.Pour mieux comprendre le comportement des protéines à la surface, la quantification des protéines adsorbées et sa conformation devrait être étudiée. L'objectif de notre recherche sera de comprendre les comportements des protéines sur différents surfaces de seringue pré - remplie classique.Le principal objectif de ce projet est de comprendre le comportement de plusieurs modèles de protéines comme la sérum d’albumine bovine (BSA), le lysozyme (LSZ) et la myoglobine (MGB) en contact avec des surfaces de seringues pré-remplie comme le verre et l’élastomère. Nous proposons d'utiliser la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) pour la quantification de protéine adsorbée sur une surface plane en déterminant la déplétion des protéines en solution. La réflexion totale atténuée infrarouge à transformée de fourier (FTIR-ATR) spectroscopie est utilisée de suivre les changements structurels des protéines adsorbées sur des surfaces solides. [...]
Proteins are widely used in formulation in the pharmaceutical field and play a major role in biological functions. It is well known that protein adsorption on solid surface is always observed for a long-term storage, which will result in a reduced dose of active compound or a loss of biological activity. In some cases, only short time of contact are sufficient to drastically modify the protein conformation: for instance, insulin losses 52% of its biological activity after 5 minutes contacting with glass surface, as well as a loss of 30% of cetrorelix is observed after 2 hours. Among all parameters, the time frame of the denaturation process is strongly related to the protein stability and surface properties. The understanding of protein adsorption has therefore become a crucial issue in the pharmaceutical industry.To gain a better understanding of proteins’ behavior on the surface, adsorbed protein quantification and its conformation should be studied. The objective of our research in a first will be to understand proteins’ behaviors on various surfaces which composed a classical prefilled syringe.The main goal of this PhD project is to understand the behaviors of several model proteins like bovine serum albumin (BSA), lysozyme (LSZ) and myoglobin (MGB) in contact with the surfaces of prefilled syringes such as glass and elastomer. We propose to use the high performance liquid chromatography (HPLC) to quantify the amount of protein adsorbed on a flat surface by determining the depletion of the proteins in solution. Fourier transform infrared-attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectroscopy was as well as employed to follow the structural changes of adsorbed BSA on solid surface. [...]

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

Dans ce travail, l'adsorption de protéines globulaires sur des surfaces modifiées a été investiguée par ellipsométrie et par réflectivité de neutrons.

L'adsorption de myoglobine deutérée sur des monocouches hydrophobes d'OTS et de PS a été étudiée par réflectivité de neutrons pour des solutions de protéines de différentes concentrations (de 1 mg/ml à 0.01 mg/ml). A basse concentration, les protéines adsorbées se dénaturent et s'étalent sur le substrat hydrophobe et l'adsorption résulte en une fine couche dense en protéines. Sur le PS, les protéines s'étalent moins, ce qui est en accord avec la moindre hydrophobicité du PS. A haute concentration, une couche supplémentaire peu dénaturée est observée au-dessus de la première couche.

La cinétique d'adsorption primaire de HSA a été étudiée par ellipsométrie sur des brosses de PEG (Mw = 35700 Da) de différentes densités de greffage. Les résultats confirment que les brosses de PEG répriment l'adsorption de protéines. En outre, l'adsorption est très rapide sur le PS, tandis que sur les brosses, l'adsorption est plus lente. Le comportement à temps long de la quantité adsorbée Γ en fonction de la densité de greffage σ est en accord semi-quantitatif avec une théorie développée par Halperin et basée sur les différentes contributions à l'énergie libre d'une protéine adsorbée. Il a également été mis en évidence un régime pour lequel le taux d'adsorption dΓ/dt décroît exponentiellement avec la quantité de protéines adsorbées Γ.

L'adsorption de protéines (lysozyme, HSA et myoglobine) a ensuite été étudiée sur des brosses de PNIPAM en fonction des paramètres de la brosse et de la température. Les brosses ont été greffées par ATRP à partir d'une monocouche d'OEG (oligo éthylène glycol) silanisé contenant du brome comme initiateur. Il a été montré que l'adsorption primaire sur la surface de greffage est inférieure à 0.1 mg/m^2 et que l'adsorption ternaire dans la brosse, en dessous et au-dessus de la LCST, ne dépasse pas 1 mg/m^2 (~ 2% de fraction volumique en protéines). La résistance à l'adsorption a été associée à la présence d'une région hydrophile superficielle qui pourrait présenter une barrière cinétique à l'adsorption des protéines dans le cœur moins polaire de la brosse.

L'ensemble de ces résultats montre que les propriétés interfaciales du substrat jouent un rôle crucial dans les processus d'adsorption des protéines.

Doctorat en Sciences
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Les protéines de blanc d’œuf sont utilisées dans de nombreuses formulations alimentaires en raison de leurs excellentes propriétés fonctionnelles, notamment moussantes. Des mesures mécaniques et optiques permettent d’étudier les mécanismes de formation des mousses en se basant sur les propriétés interfaciales de ces protéines de blanc d’œuf. Les études ont été réalisées à l’interface air/eau grâce à des techniques appropriées optiques et spectroscopiques ainsi que des mesures de propriétés moussantes. Les différents mélanges d’ovalbumine et de lysozyme à la concentration totale de 10 g·l-1 montrent qu’il existe une synergie entre ces deux protéines au cours de leur adsorption à l’interface. Suite à ces travaux, l’étude spécifique du ratio équimolaire par adsorption séquentielle a permis de suggérer l’existence d’une organisation stratifiée des deux protéines en mélange avec de l’ovalbumine pour la couche la plus proche de l’interface et du lysozyme venant s’adsorber sous ce film d’ovalbumine formant ainsi des multicouches
Egg albumen proteins are used in numerous food formulations owing to their excellent functional properties, notably foaming properties. Mechanical and optic measurements allow to study the foams formation’s mechanisms by being based on the interfacial properties of these egg white proteins. The studies have been performed at the air/water interface thanks to suitable techniques and measures of foaming properties. Different mixtures of ovalbumin and lysozyme at a total protein concentration of 10 g·l-1 show that there is a synergy in the interfacial adsorption between the two proteins. Further to these experiments, the specific study of equimolar ratio by sequential adsorption allowed to suggest the existence of a stratified organization of both proteins in mixtures with ovalbumin for the closest layer to interface and lysozyme which is located just under this ovalbumin’s film forming multilayers