Développement de méthodes analytiques basées sur la spectrométrie de masse de haute résolution pour l’étude de molécules contenant des métaux chez les organismes vivants

par Shuanglong Wang

Thèse de doctorat en Chimie analytique, environnement et matériaux

Sous la direction de Stéphane Mari et de Ryszard Łobiński.

Le jury était composé de Ryszard Łobiński.


  • Résumé

    Les ions métalliques (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo…) jouent un rôle vital dans un grand nombre de processus biologiques. Leur carence et leur excès entraînent des défauts de croissance voire la mort. Pour survivre et croître, certaines bactéries ont développé des stratégies pour acquérir les métaux dans leur environnement basées sur la synthèse de ligands complexant les métaux. Les plantes, elles, stockent les métaux et les transportent entre les tissus sous des formes chimiques particulières et un rôle grandissant pour les petits complexes métalliques semble se révéler. La spéciation des métaux gouvernerait donc leur biodisponibilité pour les consommateurs en ce qui concerne les plantes comestibles. Cette thèse a pour but le développement de méthodes analytiques pour l’identification et la quantification des formes chimiques des métaux chez les bactéries et les plantes.Les techniques de séparation chromatographique, comme la chromatographie d’exclusion stérique (SEC) et la chromatographie d’interaction hydrophile (HILIC), furent couplées à la spectrométrie de masse (MS) avec une ionisation préalable par plasma induit (ICP MS) ou par électrospray pour une détection élémentaire et moléculaire respectivement. La méthodologie analytique développée ici, qui est basée sur l’utilisation de l’HILIC avec détection double par ICP MS et électrospray MS, s’est avérée cruciale pour la découverte et la caractérisation de deux nouveaux métallophores, la staphylopine chez Staphylococcus aureus et la pseudopaline chez Pseudomonas aeruginosa. Ces métallophores sont synthétisés et exportés par les bactéries et servent pour l’acquisition des métaux de transition divalents dans les milieux très pauvres en métaux grâce à leur pouvoir complexant.Des techniques dédiées de préparation d’échantillons, incluant le fractionnement des extraits solubles à l’eau, furent mises en place pour l’analyse du fer dans le maïs. Les approches instrumentales développées, notamment après le fractionnement du fer l’échantillon, permirent l’identification par spectrométrie de masse de complexes du fer avec le citrate, le muginéate et le phytate dans les grains de maïs. Il existe aussi une différence significative dans les concentrations de certaines polyamines entre certaines variétés de graines contenant du fer faiblement biodisponible et celles contenant du fer fortement biodisponible. La plus grande abondance de complexe fer-muginéate dans les extraits gastro-intestinaux des variétés à fer fortement biodisponible semblerait indiqué un rôle important pour ce complexe dans la biodisponibilité du fer. Finalement, des ratios molaires plus faibles entre le phytate extrait et le fer qui lui est associé sembleraient aussi être un des facteurs lié à une plus grande biodisponibilité du fer.

  • Titre traduit

    High resolution elemental and molecular mass spectrometry for studies of endogenous metal-containing molecules in living organisms


  • Résumé

    Metal (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo…) ions play a vital role in a large number of biological processes. Both their deficiency and excess will lead to severe growth impairment or death. In order to survive and to grow, bacteria developed strategies to acquire metals from the environment based on the synthesis of metal complexing ligands. Plants store metals and transport them between tissues in particular chemical forms and a rising role for small metal complexes seems to be revealed. Therefore their speciation governs the bioavailability of the metals to consumers in the case of edible plants. This thesis aims at the development of analytical methods for the identification and quantification of metal chemical forms in bacteria and in plants.Chromatographic separation techniques, such as size exclusion chromatography (SEC) and hydrophilic interaction chromatography (HILIC) were coupled to mass spectrometry (MS) using ionization in an inductively coupled plasma (ICP MS) or electrospray for elemental and molecular detection, respectively. The developed analytical methodology based on HILIC with dual ICP MS and electrospray MS detection turned out to be crucial for the discovery and characterization of two novels metallophores, staphylopine in Staphylococcus aureus and pseudopaline in Pseudomonas aeruginosa. These metallophores are synthesized and exported by the bacteria and serve for the uptake of divalent transition metal in metal scarce conditions by means of chelation. Dedicated samples preparation techniques, including fractionation of water soluble extracts, were developed for iron analyses in maize. The developed instrumental approaches following the iron fractionation methods allowed the identification by mass spectrometry of citrate, mugineate and phytate complexes with iron in maize kernels. There was also a significant difference in some polyamine concentrations observed between some kernels with low and high bioavailable iron. The higher abundance of the iron-mugineate complex in the gastrointestinal extract in high bioavailable maize variety possibly indicates that iron-mugineate would have an important role in iron biodisponibility. Finally, lower molar ratios between extracted phytate and iron associated to it would seem to be also a key aspect for higher iron bioavailability.


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