Liste des TFE 2022 au Laboratoire de Spectrométrie de Masse (EPPE-QUINTON)

Sujet 1. Caractérisation d'oligonucléotides thérapeutiques par électrophorèse capillaire et mobilité ionique couplées à la spectrométrie de masse.

Sujet 2. Développement méthodes innovantes basées sur la spectrométrie de masse par désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI) pour le séquençage rapide d’oligonucléotides

Sujet 3. Identification des produits de dégradation du polybutadiène dans la poudre propulsive.

Sujet 4. Utilisation de la spectrométrie de masse dans l’étude de l'évolution de structures protéiques lors de la transition de la phase liquide à la phase gaz en électrospray.

Sujet 5. Etude du système de sécretion de type II de Pseudomonas aeruginosa par des cross-linking couplé à la spectrométrie de masse.

Sujet 6. Mise au point d’une methode de screening de venins animaux par spectrométrie de masse pour la découverte de ligands de récepteurs cellulaires membranaires.

Sujet 7. Caractérisation moléculaire (microbiome) des processus de biodégradation de plastiques par les insectes Galleria mellonella et Tenebrior molitor par spectroscopie Raman et spectrométrie de masse (projet ARC Plastinsect)

Sujet 8. Développement d’approches innovantes en GC-APCI-TIMS-ToF pour l’analyse des polluants organiques persistants (POPs) émergents (Projet TEQFOOD)

Sujet 1. Caractérisation d'oligonucléotides thérapeutiques par électrophorèse capillaire et mobilité ionique couplées à la spectrométrie de masse Contacts : Dr. Cédric Delvaux, Prof. Edwin De Pauw, Dr. Johann Far et Prof. Gauthier Eppe

Les oligonucléotides (ON) sont de nouveaux candidats-médicaments, mais sont également des outils très importants pour la mise au point de techniques de diagnostic. L’utilisation de ces biomolécules devrait croître à un rythme exceptionnel au cours des prochaines années (prévision de +14% selon les rapports internationaux). Leur caractérisation est réalisée à l'aide de méthodes de séparation classiques telles que la chromatographie en phase liquide, couplées à des méthodes optiques ou à la spectrométrie de masse. La méthode la plus efficace pour le séquençage des ON est la spectrométrie de masse en mode MS/MS, en particulier lors de l’utilisation de bases modifiées notamment destinées à accroître leurs stabilités en milieux physiologiques. La reconnaissance moléculaire in-situ des cibles de ces molécules est essentielle pour leur efficacité. La détermination de leur structure 3D et l’analyse de la dynamique structurale de ces composés, soit libres, soit complexés, constituent le prochain défi pour le design rationnel de produits pharmacologiques basés sur des ON, en tant que vecteurs de médicaments, ou encore d’aptamères pour l’élaboration de senseurs. Une approche permettant d’obtenir rapidement des informations structurales est la mobilité ionique. Cette dernière étant réalisée en phase gazeuse, la question de la préservation des structures initialement présentes en solution après l’étape d’ionisation est une question essentielle. Ce projet vise à développer, en une seule expérience, la combinaison de méthodes de séparation en phase liquide et en phase gazeuse selon la conformation des ON et de leurs complexes, mais aussi d’assurer leur séquençage. La comparaison des données de mobilité obtenues en solution par électrophorèse capillaire (CE) et de mobilité en phase gazeuse (IMS) permettent de vérifier le degré de maintien de ces structures, tant pour les ON libres que pour leurs complexes. Enfin, la détection par spectrométrie de masse à haute résolution (MS et MS /MS) permet leur identification non ambiguë. Il s’agit donc de développer une boite à outils pour la caractérisation complète de petits complexes non-covalents d’ON. Le projet est un projet collaboratif avec une grande société pharmaceutique implantée en Belgique. Objectif résumé : création d’une boite à outil permettant de tirer rapidement des informations structurales concernant les ON courts et leurs complexes à la fois en solution et en phase gazeuse

Techniques : Electrophorèse capillaire, Mobilité ionique de type TWIG, techniques de spectrométrie de masse à haute résolution.

Collaborations : collaboration avec une industrie pharmaceutique et plusieurs universités belges Court séjour à l’étranger possible : institut de Chimie Biologique, Bordeaux (Dr. V. Gabelica)

Informations : c.delvaux@uliege.be / Johann.Far@uliege.be

Ref: MolecularTherapy:NucleicAcidsVol.13December2018

Sujet 2. Développement méthodes innovantes basées sur la spectrométrie de masse par désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI) pour le séquençage rapide d’oligonucléotides Contacts : Dr. Cédric Delvaux, Prof. Edwin De Pauw, Dr. Johann Far et Prof. Gauthier Eppe

Les oligonucléotides et en particulier les biopolymères d'ARN ont suscité un intérêt considérable non seulement en tant que médicaments thérapeutiques ou vaccins, mais également pour des applications dans des domaines tels que la sécurité alimentaire, la communication cellulaire (exARN), et les éléments de reconnaissance pour la capture spécifique d'analytes cibles (aptamères). Des efforts importants sont actuellement en cours afin de fournir à la communauté scientifique les outils analytiques nécessaires à leur caractérisation, parmi lesquels la spectrométrie de masse joue un rôle crucial.

Objectif :

L'objectif de ce projet de Master est de développer des méthodes innovantes basées sur la spectrométrie de masse par désorption/ionisation laser assistée par matrice (MALDI) afin de séquencer rapidement des oligonucléotides portant des bases modifiées permettant d'améliorer leur stabilité in vivo. Celle-ci bénéficiera des développements au Laboratoire de Spectrométrie de masse d'une méthode dite de fragmentation en source (in-source decay, ISD) essentiellement appliquée jusqu'à présent aux peptides et protéines, mais avec un potentiel important pour l'analyse des oligonucléotides. La spectrométrie de masse à haute résolution, voire à ultra-haute résolution sera utilisée en vue d’identifier les fragments générés. Dans le cas où une pré-séparation s’avèrerait nécessaire, le concept d'une séparation rapide des oligonucléotides directement sur une plaque de chromatographie en couche mince servant également de support de plaque MALDI sera exploré. Le couplage de la chromatographie liquide (HPLC) ou de l'électrophorèse capillaire (CE) avec la détection MALDI (ISD) MS pourrait être développé en complément, si nécessaire. Les données générées (spectres MALDI-ISD) serviront de base pour la création d’un logiciel d’analyse automatique des spectres en collaboration avec nos partenaires scientifiques.

L'effet de l’organisation tridimensionnelle des oligonucléotides selon leur schéma de fragmentation ISD sera évalué en tant que source potentielle de données pour l’élucidation structurale.

Ce travail explorera également les aspects fondamentaux d'un workflow qui sera appliqué dans le cadre d'une collaboration en cours avec une grande entreprise pharmaceutique en Belgique et plusieurs universités partenaires.

Méthodes : Spectrométrie de masse à ultra-haute résolution (FTICR), à haute résolution (QTOF), techniques d’activation (CID, ISD), HPLC, Electrophorèse capillaire (CE), HPTLC

Informations : c.delvaux@uliege.be / Johann.Far@uliege.be

Ref: https://doi.org/10.1002/jms.3186

Sujet 3. Identification des produits de dégradation du polybutadiène dans la poudre propulsive Contexte. De nouvelles réglementations contraignent les fabricants de poudres explosives à modifier leurs compositions et à remplacer certains constituants, notamment le stabilisant, par des produits moins toxiques. Le stabilisant a pour but de réagir avec les différents radicaux nitré produits pendant le stockage à long terme du nitroester contenant de l’énergie, prolongeant ainsi la durée de conservation de la poudre. Le polybutadiène pourrait remplir le rôle de stabilisant dans les poudres propulsives (Voir Figure). Il faut vérifier que les produits de dégradation du polybutadiène interviennent également dans la stabilité de la poudre en réagissant avec les résidus de dégradations de la nitrocellulose sans former des produits de dégradation toxique.

Sujet de mémoire. Ce travail de fin d’étude aura pour objectif d’identifier les structures des composés de dégradation du polybutadiène par différentes méthodes d’analyse (chromatographie, spectrométrie de masse, mobilité ionique et résonance magnétique nucléaire). L’étudiant réalisera le développement d'une méthode d'extraction afin de mettre en solution la poudre, de séparer ses différents constituants (HPLC, GPC et/ou mobilité ionique) et afin d’éliminer les grosses molécules (nitrocellulose et polybutadiène restant non dégradé). Il devra également identifier la structure des produits de dégradation majoritaires (MS, RMN). Le but final étant de déterminer si le stabilisant effectue bien son rôle à long terme. Remarque : le sujet contient des parties confidentielles principalement pour la formulation des poudres propulsives.

Techniques utilisées. Couplage chromatographie gazeuse (GC)-ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI)- chromatographie liquide à haute performance (HPLC)-Electrospray (ESI)-mobilité ionique (TIMS)- spectrométrie de masse temps de vol (ToFMS). Résonance magnétique nucléaire (RMN)

Encadrement: Caroline Damseaux (Doctorante MSLab), Dr Georges Scholl, Prof. C. Damblon (Professeur) et Gauthier Eppe (Professeur) Informations: g.eppe@uliege.be

Sujet 4. Utilisation de la spectrométrie de masse dans l’étude de l'évolution de structures protéiques lors de la transition liquide-gaz en électrospray.

Contexte. La spectrométrie de masse (MS) est désormais une méthode mature pour l'identification et la quantification des biopolymères dans les mélanges complexes. L’approche protéomique bottom-up utilisant la LC-MS/MS permet d'identifier des milliers de protéines en une seule injection. Cependant, la structure 3D des protéines est la clé de leurs fonctions, et la SM s'impose comme un outsider dans ce domaine en comparaison aux techniques conventionnelles (RX, RMN, Cryo-EM…). Ainsi, les techniques de MS structurale telles que la ligation chimique (XL), l'échange hydrogène-deutérium (HDX) ou le marquage covalent (CL) font l’objet de plus en plus d’intérêt.. Récemment, la MS native, couplée à la mobilité ionique (IMS) et/ou au dépliement induit par collision (CIU), est apparue comme une nouvelle technique pour l'étude des structures des protéines. Cependant, la MS native implique le transfert des molécules vers la phase gazeuse et le degré de "mémoire" des structures provenant de la phase liquide est encore débattu. Plusieurs auteurs ont montré une réorganisation au cours de la transition liquide-gaz, mais il a également été démontré que les structures peuvent être conservées, notamment par le maintien des interactions non covalentes qui façonnent la protéine (liaison hydrogène, pont salin, interaction hydrophobe...). Leur évolution pendant la transition reste cependant mal comprise. Sujet de mémoire. Le laboratoire vise à développer de nouvelles stratégies pour améliorer la compréhension de l’évolution des interactions non covalentes impliquées dans les structures protéiques, lorsque des ions sont transférés de la phase liquide à la phase gazeuse. L'objectif est de répondre à la question suivante : "La structure des protéines est-elle vraiment conservée lors du passage vers la phase gazeuse ?". Pour y répondre, nous proposons une exploitation innovante du CL et du XL comme outils pour empêcher, perturber, renforcer ou créer des interactions au sein des structures protéiques. L’impact de ces modifications sera suivi de la phase liquide à la phase gazeuse par différentes techniques de spectrométrie de masse (IMS, CIU, …). Cette thématique permet d’élaborer des sujets de mémoire variés. Les projets seront caractérisés par une approche pluridisciplinaire alliant la modification chimique des protéines, leur caractérisation par MS classique et le développement de techniques avancées de spectrométrie de masse (IMS, CIU, courbe de survie, HDX…). Techniques utilisées : spectrométrie de masse (MS et MS/MS), SDS-PAGE, bio-informatique, mobilité ionique, dépliement induit par collision, modifications chimiques de protéines.

Encadrement: Thomas Tilmant (Doctorant FRIA) et Loïc Quinton (Professeur) Informations: loic.quinton@uliege.be

Sujet 5. Etude du système de sécretion de type II de Pseudomonas aeruginosa par des cross-linking couplé à la spectrométrie de masse. Contexte. Les bactéries possèdent des nanomachines multi protéiques sophistiquées permettant de sécréter des protéines dans le milieu environnant ou directement dans des cellules hôtes. Parmi celles-ci, le système de sécrétion de type II (T2SS), propre aux bactéries Gram-négatives, est l’outil de sécrétion de nombreux substrats virulents, comme la toxine cholérique de Vibrio cholerae, l'exotoxine A de Pseudomonas aeruginosa ou encore la toxine thermolabile d'Escherichia coli entérotoxique. Mieux comprendre le fonctionnement et la structure 3D de ce système T2SS pourrait permettre, dans le futur, de développer de nouveaux traitements contre ces bactéries pathogènes. L’étude d’une telle construction protéique n’est cependant pas une chose aisée et nécessite une approche pluridisciplinaire combinant différentes techniques de biologie structurale (RMN, RX, Cryo-EM…). Dans le cadre d’une collaboration internationale (Belgique, France, USA), nous avons utilisé une technique de chimie structurale résolue par spectrométrie de masse, le cross-linking (XL-MS) afin de déterminer comment un complexe quaternaire XcpHIJK (voir figure) s’agençait dans l’espace, et pouvait ainsi participer à la sécrétion protéique [1]. Forts de ces résultats, nous souhaitons maintenant étendre notre approche de XL-MS à d’autres parties du système T2SS. Sujet de mémoire. Le projet se place directement dans la continuité de ces résultats. Via différentes modifications chimiques des protéines, le XL-MS sera utilisé pour définir les interactions existantes entre les protéines sécrétées et différentes parties du T2SS afin de mieux décrire comprendre leur(s) mécanisme(s) d’excrétion. L’objectif principal sera de développer des protocoles de XL-MS efficaces permettant d’extraire des informations pertinentes d’un point de vue biologique sur les différentes interactions. Le projet comportera un volet bio-informatique pour la recherche des zones d’interactions à partir des données de XL-MS, la validation de ceux-ci et également leur représentation sur les structures 3D des protéines étudiées. Pour compléter cette approche, il sera possible d’étendre nos analyses à d’autres techniques de MS structurale comme l’échange hydrogène-deutérium couplé à la spectrométrie de masse. Techniques utilisées : modifications chimiques de protéines, spectrométrie de masse (MS et MS/MS), SDS-PAGE, bio-informatique.

Encadrement: Thomas Tilmant (doctorant FRIA) et Loïc Quinton (Professeur) Informations: loic.quinton@uliege.be [1] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34139172/

Sujet 6. Mise au point d’une methode de screening de venins animaux par spectrométrie de masse pour la découverte de ligands de récepteurs cellulaires membranaires. Contexte. Plus de 50.000 espèces venimeuses sont actuellement indexées dans le monde. Chacun de leur venin est composé de centaines de toxines peptidiques, présentant potentiellement une sélectivité élevée pour les récepteurs cellulaires membranaires comme les canaux ioniques, par exemple de type SK, importants au niveau du système nerveux central. Nous avons récemment développé une stratégie permettant de capturer sélectivement des toxines peptidiques présentant des affinités pour des nAChR membranaires [1]. Cette approche, bien qu’efficace, nécessite de longues étapes de purification, ce qui réduit considérablement le rendement de découverte attendu. Le développement d'une méthodologie rapide de screening permettant l'analyse efficace de telles bibliothèques biologiques sur différents récepteurs d'intérêt (= cibles thérapeutiques) est le principal défi de ce mémoire.

Sujet de mémoire. Ce projet propose le développement d’une méthodologie rapide de screening d’une dizaine de venins variés (abeilles, scorpions, araignées et serpents) à la recherche de ligands de récepteurs membranaires. Le workflow commencera par un fractionnement HPLC des venins bruts. Une méthode de criblage rapide d'affinité des toxines sur plaques multi puit sera alors développée, à l’aide de membranes cellulaires sur-exprimant les récepteurs d’intérêt. Les résultats obtenus seront analysés par spectrométrie de masse. La méthodologie sera tout d’abord mis en œuvre avec un couple toxine-récepteur modèle, avant d’envisager la découverte de nouveaux ligands dans des venins peu étudiés. Une fois les ligands détectés, ces derniers seront fragmentés par spectrométrie de masse en tandem afin d’en établir la séquence et ainsi les identifier.

Techniques utilisées : chromatographie liquide, spectrométrie de masse MALDI et électrospray (MS et MS/MS), protéomique, bio-informatique.

Le scorpion Leiurus quinquestriatus quinquestriatus est l’une des rares espèces connues pour produire

des toxines se liant aux canaux SK. Ce venon pourrait être utilize comme contrôle positif dans cette étude. . © Cédric Vanbellingen-Alphabiotoxine- 2019

Encadrement: Lou Freuville (Doctorante MSLab) et Loïc Quinton (Professeur) Informations: loic.quinton@uliege.be

Sujet 7. Caractérisation moléculaire (microbiome) des processus de biodégradation de plastiques par les insectes Galleria mellonella et Tenebrior molitor par spectroscopie Raman et spectrométrie de masse (projet ARC Plastinsect)

Contexte. La production et la consommation mondiale de polymères synthétiques a conduit à l’accumulation d’une grande quantité de déchets plastiques, dont seulement une petite fraction est recyclée, ayant un impact environnemental majeur à l’échelle mondiale. La plupart des polymères non biodégradables sont aujourd’hui incinérés, conduisant à l’émission de gaz potentiellement dangereux. Aussi, il est essentiel de développer des stratégies de traitement des déchets plastiques qui sont respectueuses de l’environnement. Bien que les plastiques les plus utilisés comme le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polystyrène (PS), le chlorure de polyvinyle (PVC), le polyuréthane (PUR) ou les nylons ne sont pas biodégradables, l’activité biologique de certains insectes semble faciliter leur dégradation dans des conditions particulières.

Sujet de mémoire. Ce projet de mémoire consiste à développer de nouvelles stratégies analytiques afin de mieux comprendre l’interaction de Galleria mellonella et de Tenebrior molitor, ainsi que leur microbiomes intestinaux, avec les polymères dont ils sont susceptibles de faciliter la biodégradation par des processus chimiques qui restent largement inconnus à ce jour. La présence de microplastiques dans les tubes digestifs des insectes (Galleria mellonella et/ou Tenebrior molitor) soumis à un régime alimentaire enrichi en PE ou PS (en proportions variables) sera vérifiée par spectroscopie Raman. Ces analyses permettront d’une part de vérifier la présence de microparticules de plastiques dans les tubes digestifs des larves d’insectes, et d’autre part de caractériser la modification chimique des polymères ingérés (par exemple par la formation de fonctions alcool et phénol à la surface des microparticules). Par ailleurs, un screening par spectrométrie de masse en haute résolution (par MALDI, SALDI ou couplée à l’UPLC) d’extraits de tube digestif sera réalisé afin de mettre en lumière des modifications de composition en petites molécules associées à la capacité de biodégradation des plastiques. A partir de cultures, des modèles de classification (phénotypage) rapides sur base des spectres Raman enregistrés au niveau cellulaire (approche single-cell) seront développés pour identifier les bactéries associées avec la biodégradation.

Techniques utilisées. Spectroscopie Raman, spectroscopie infrarouge, spectrométrie de masse MALDI et SALDI, chromatographie liquide UPLC-HRMS.

Encadrement: Alexandre Verdin (Doctorant MSLab), Wendy Müller (Doctorante FNRS MSLab) et Gauthier Eppe (Professeur) Informations: g.eppe@uliege.be

Sujet 8. Développement d’approches innovantes en GC-APCI-TIMS-ToF pour l’analyse des polluants organiques persistants (POPs) émergents (Projet TEQFOOD)

Contexte. Au cours des deux dernières décennies, il est devenu de plus en plus évident que la présence de contaminants organohalogénés (POPs) dans l'environnement est une préoccupation croissante. Ce constat conduit les autorités compétentes à mettre en place de manière proactive des plans de surveillance qui exigent le dépistage du plus grand nombre possible de composés reconnus et établis comme étant toxiques ou potentiellement toxiques. En outre, il est nécessaire d’adopter des politiques axées sur les composés qui sont peu ou pas encore étudiés, afin de s’attaquer à la face cachée du problème. Les approches et stratégies analytiques qui en découlent doivent donc changer de paradigme. Il est en effet essentiel de construire des solutions qui reposent sur une vision différente de la chimie analytique et qui permettent de sortir des sentiers battus.

Sujet de mémoire. Pour ce mémoire, nous proposons de concentrer nos efforts principalement sur la mobilité ionique plutôt que sur l’approche de sélection des ions en masse en développant une méthode d'analyse non ciblée des polluants organiques persistants halogénés par GC-MS couplée à la mobilité ionique piégée (TIMS). Le développement de ces stratégies analytiques nécessitera en amont d’axer notre recherche, d'une part, sur l'optimisation de l'ionisation à pression atmosphérique des POP (APCI et APPI) et, d'autre part, se focaliser sur des aspects plus fondamentaux comprenant l'étude des tendances sections efficaces de collision (CCS) des polluants halogénés et la mise en place d'une méthode de calibration interne continue de la cellule de mobilité ionique directement connectée à une colonne de GC. Différents gaz vecteurs seront comparés lors de ce couplage (He, H2, N2) GC-APCI, de même que l’effet de solvants dopants lors du processus d’ionisation en APCI.

Techniques utilisées. Couplage chromatographie gazeuse (GC)-ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI)- mobilité ionique (TIMS)- spectrométrie de masse temps de vol (ToFMS)

Encadrement: Hugo Muller (Doctorant MSLab), Dr. G. Scholl, E De Pauw (Professeur), G Eppe (Professeur) Informations: g.eppe@uliege.be

?OH

Br

NovelUnknown

Cl

LegacyHistorical & regulated Emerging

Known but unregulated

Mixed Cl-Br dioxins

Chlorinated paraffins PFAS

Flame retardants

PCBs Dioxins

Des centaines de POPs à surveiller

PAHs

Cl compounds

Br compounds

Mixed Cl-Br compounds