BIBS consacre une part significative de son activité aux développements méthodologiques et technologiques, de façon à répondre au mieux aux nouveaux enjeux et questions de recherche dans le domaine de la caractérisation des bioressources. Nos développements visent à proposer des approches à la fois pertinentes et en front des sciences analytiques et numériques.
Sommaire de navigation rapide :
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• En 2022 :
Role of water in cellulose assemblies by solid-state NMR: a revisited method to obtain structural information in record time
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(a) Model classically used to represent cellulose called "core-shell" (b) Assumption concerning the different structural domains probed by spin diffusion times. |
Whether in foods (plant-based) or in biosourced materials, water plays an essential role in the maintenance of molecular assemblies. It is therefore essential to understand and predict the interactions of water with the constituent biopolymers of these assemblies to better control their properties and uses. For this, only NMR allows to obtain fine information at the sub-nanometric scale, while preserving the natural environment of the objects of study.
We were thus able to reveal three spin scattering times (THHa, THHb and THHc) that we were able to associate with three structural domain sizes involving water-cellulose and water-water hydrogen bonds. According to our hypotheses, THHa allows to probe sub-nanometric scales (hydrogen bonding scale), THHb is related to structural water around cellulose crystals, while THHc characterizes added water and allows to simulate an aqueous environment such as can be encountered in nature.
Thèse X. Falourd |
Collaboration : INRAE UR OPAALE (Rennes), UMR FARE (Reims) |
Publication associée : Falourd, X.; Lahaye, M.; Rondeau-Mouro, C. Assessment of Cellulose Interactions with Water by SsNMR: 1H->13C Transfer Kinetics Revisited. CARBOHYDRATE POLYMERS 2022, 298. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120104. |
Phase contrast tomography reveals the cellular morphology of wheat grain in 3D
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3D visualization of grain images obtained at two scales: the first one (left) shows the global shape of the grain in 3D, while the second one (right) allows to identify tissues and to access the morphology of some cells. |
X-ray micro-tomography is an efficient method for the non-destructive study of the 3D architecture of biological samples, which does not require staining, cutting or embedding. In particular, phase contrast tomography using synchrotron radiation produces higher contrast and better resolution images than those obtained with laboratory tomography equipment.
This study evaluated the potential of phase contrast tomography as obtained on the Psiché line from the SOLEIL synchrotron to study tissues morphology and organisation in the developing wheat grain. The goal is to better understand the mechanisms involved in grain growth to cope with an increasing production demand in a context of climate change.
3D images of whole kernels with micron-level detail were produced, which allowed identification of many tissues and visualization of individual cells. By using higher resolution, finer details were obtained. In particular, 3D visualization of the epidermis and underlying tissues revealed the presence of different epidermal cell types including stomata associated with high porosity tissue.
Collaboration : équipe PVPP (Unité BIA), INRAE Unité GDEC (Clermont-Ferrand), SOLEIL synchrotron (Psiche beamline) |
This work was the continuation of the PhD work of T. D. Q. LE (2017-2020) |
Publication associée : Legland, D.; Alvarado, C.; Badel, E.; Guillon, F.; King, A.; Le, T. D. Q.; Rivard, C.; Pare, L.; Chateigner-Boutin, A.-L.; Girousse, C. Synchrotron Based X-Ray Microtomography Reveals Cellular Morphological Features of Developing Wheat Grain. Appl. Sci.-Basel 2022, 12 (7), 3454. https://doi.org/10.3390/app12073454. |
• En 2021 :
Molecular exploration of the modulation of Ovalbumin allergenicity by heating
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Pattern of the intermolecular bridges formed during heating of Ovalbumin at high temperature. Heavily modified areas ("hotspots") are in red. Known human IgEs are shown in yellow on the linearized protein sequence.
Two aggregation hotspots are clearly located near known linear epitopes. |
Ovalbumin (OVA) is the main protein in hen’s egg white and a major food allergen, whose allergenicity is modulated by heating. Model samples of heat-induced modified OVA (heated, glycated and/or aggregated) were produced and analyzed by high-resolution mass spectrometry approaches and dedicated bioinformatic tools to establish a link between heat-induced modifications and the modulation of IgE binding capacity of OVA at the amino acid level.
The results show a strong aggregation of OVA at high temperatures, which was associated with a decrease of OVA’s IgE binding capacity. Glycation also significantly reduced the IgE binding capacity of OVA, despite limited structural changes. Mapping the different chemical modifications on the OVA sequence showed several modifications that lie in close proximity to known human IgE linear epitopes of OVA. We thus highlight the importance of these linear epitopes for IgE recognition and identified key modified residues.
Post-doctorat de M. Cherkaoui (2020-2022) dans le cadre du projet DeepProt |
Collaboration : équipe ALLERGIE de l'unité BIA |
Publication associée : Cherkaoui, M.; Tessier, D.; Lollier, V.; Larre, C.; Brossard, C.; Dijk, W.; Rogniaux, H. High-Resolution Mass Spectrometry Unveils the Molecular Changes of Ovalbumin Induced by Heating and Their Influence on IgE Binding Capacity. Food Chem. 2022, 395, 133624. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.133624. |
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Identification of structural groups of oligosaccharides by molecular networks based on ion mobility mass spectrometry
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Molecular networks based on the mass of oligosaccharides fragments (left) vs. their ion mobility (right).
Two pentasaccharides whose backbones differ only in the stereochemistry of the glycosidic bond are indicated in orange (maltopentaose) and in purple (cellopentaose). |
Mass spectrometry (MS) is commonly used to obtain information about the structure of biological molecules, through a strategy called MS/MS. The principle is to isolate the molecule of interest according to its mass, then to provide energy so to generate a mass spectrum of fragments. The latter can be considered as a “structural signature” of the molecule. A recently popularized approach is the computer comparison of these spectra to reveal families of related molecules within a molecular network.
However, MS (like MS/MS) are not able to distinguish molecules (or fragments) of the same mass; for example which differ only in the orientation of chemical functions (stereoisomers). This situation is very often present with oligosaccharides, which are made up of a wide variety of very similar subunits.
On the other hand, ionic mobility spectrometry (IMS) makes it possible to distinguish compounds according to their 3D conformation, and therefore to separate the stereoisomers. By analogy to molecular networks based on MS/MS, we have developed a strategy for creating a molecular network in which the mass of the fragments is replaced by their mobility. We show the superiority of this network to group oligosaccharides according to informative structural characteristics, mainly related to their main chain (composition, orientation of bonds).
Future work will consist of improving the approach by taking maximum advantage of the two dimensions available in the data, i.e., mass AND mobility of fragments.
Thèse de S. OLLIVIER (2019-2022) |
Publication associée : Ollivier, S. et al. Molecular Networking of High-Resolution Tandem Ion Mobility Spectra: A Structurally Relevant Way of Organizing Data in Glycomics? Anal. Chem. 2021, 93 (31), 10871–10878. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c01244 |
Correlation of water status and wall structures in the wheat grain, by fusion of mass spectrometry and magnetic resonance images
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Two-dimensional view of a cross section (approximately mid-height) of a wheat grain at 250 degrees x days.
Two images on the left: MRI, mobility (T2 *) and water density (MRI). Right image: MSI, distribution of oligoarabinoxylans with high degree of substitution |
Magnetic resonance micro-imaging (micro-MRI) makes it possible to obtain - non-destructively and in three dimensions - images showing both the density of water and its mobility (diffusion measurements, T2 *). Mass spectrometry imaging (MSI), on another hand, provides a mapping of the chemical structures of the tissue: associated with specific enzymatic treatments, MSI provides images of the wall polysaccharides according to some of their structural characteristics.
We have developed a processing chain (Esmraldi) with the objective of merging these two image modalities and thus correlate the two types of complementary information that they provide locally. Applied to the developing wheat grain, we have shown that the region where water is both dense and mobile in the albumen, located near the crease, is where the heteroxylans are most highly substituted; this result joins previous work which demonstrated - on heteroxylan film models - the impact of the substitution rate on the porosity of the network.
Post-doctorat de F. GRELARD (2019-2021) |
Collaboration : équipe PVPP de l'unité BIA |
Publications associées : Grelard, F. et al. Esmraldi: Efficient Methods for the Fusion of Mass Spectrometry and Magnetic Resonance Images. BMC Bioinformatics 2021, 22 (1), 56. https://doi.org/10.1186/s12859-020-03954-z. Fanuel, M.; Grélard, F.; Foucat, L.; Alvarado, C.; Arnaud, B.; Chateigner-Boutin, A.-L.; Saulnier, L.; Legland, D.; Rogniaux, H. Spatial Correlation of Water Distribution and Fine Structure of Arabinoxylans in the Developing Wheat Grain. Carbohydrate Polymers 2022, 294, 119738. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119738. |
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Vers une automatisation de l’interprétation des spectres de masse des oligosaccharides de plantes
L’analyse structurale des glycanes de plantes répond à des questions de recherche diverses, touchant à la nutrition humaine comme au développement de biocarburants. Pour accompagner les développements méthodologiques en spectrométrie de masse dans l’identification de structures complexes d’oligosaccharides d’origine naturelle, deux outils ont été développés sur la plate-forme BIBS : Oligator et mzLabelEditor.
Au travers de leur interface, ils permettent aux scientifiques de décrire des structures candidates, avec une grande flexibilité sur les éventuelles motifs modifiant ces structures, puis d’annoter des spectres de fragmentation MS/MS en s’appuyant sur un modèle théorique de fragmentation, ici encore configurable par l'utilisateur. Pour garantir la diffusion ou la réutilisation de l’information ainsi produite, ces deux outils s’appuient sur des standards de notation et de nomenclature.
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• En 2020 :
A direct image of the degradability of lignocellulosic walls
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Stem sections of two maize genotypes coloured in FASGA (lignified areas in pink, little lignified in blue) and by mass spectrometry after application of a cellulolytic enzyme: the signal intensity of the oligohexoses is measured and varies from black (weak) to white (strong intensity).
Two images on the left: Cm484 genotype. Two images on the right: F4 genotype. |
Controlling and improving the transformation of lignocellulose is a major issue for efficiency in biorefinery. Our study tries to better describe the factors of recalcitrance of this biomass to degradation by an enzymatic route. The novelty and originality of the work is to employ mass spectrometry imaging to observe, locally, the susceptibility of tissues to degradation by cellulolytic enzymes.
The approach visualizes the degradation products and their distribution directly on the tissue, at the micrometric scale. It allows to address - at the same time - the histological and biochemical heterogeneity of the substrate and the impact of local heterogeneities on the recalcitrance of tissues to bioconversion. In our study, lignin was found to be the main factor limiting tissue degradation by enzymes.
CDD de B. ARNAUD (2018-2019) |
Collaboration : INRAE IJPB Versailles et INRAE unité BIA (équipe PVPP) |
Publication associée : Arnaud, B. et al. Imaging Study by Mass Spectrometry of the Spatial Variation of Cellulose and Hemicellulose Structures in Corn Stalks. J. Agric. Food Chem. 2020, 68 (13), 4042–4050. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b07579 |
Les interactions entre la cellulose, les pectines et l’eau dans les parois des cellules végétales sont à l’origine des propriétés mécaniques des pommes
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Représentation schématique de la distribution des microfibrilles de cellulose au sein de la matrice polysaccharidique, en fonction de la valeur C4 TH1ρ |
Ayant une incidence à la fois sur la perception de la texture et sur la capacité de transformation, les propriétés mécaniques sont des déterminants clés de la qualité des fruits charnus pour les consommateurs et l’industrie alimentaire. La contribution de la chimie et de l’organisation des polysaccharides de paroi cellulaire sur la variabilité des propriétés mécaniques des pommes a été étudiée pour six variétés de pommes.
Des mesures compositionnelles ont mis en évidence une corrélation des teneurs en arabinose, galactose et acides uroniques avec les propriétés mécaniques. Des mesures de RMN, informant sur les interactions au sein du réseau polysaccharidique de la paroi, ont montré que plus la cellulose est organisée au sein de la paroi cellulaire, plus la structure présente une rigidité importante. Au final, ces deux analyses complémentaires : analyse compositionnelle et RMN, ont mis en évidence des variétés de pommes mieux adaptées - en terme de propriétés mécaniques - aux processus industriels.
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• En 2019 :
Suivi de la morphologie du grain de blé par micro-tomographie RX au cours de son développement
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Schéma de la démarche et de la chaîne de traitement des images 3D conduisant à la quantification des changements morphologiques du grain de blé en cours de croissance |
Le blé est une des principales cultures de céréales et est à la base de l’alimentation d’une grande partie de la population européenne et mondiale. La baisse des rendements ainsi que l’impact de la forme du grain sur les procédés de mouture nécessite de mieux identifier et quantifier les changements de morphologie du grain lors de son développement. L’objectif de cette étude était de développer une méthodologie pour décrire de manière quantitative la morphogénèse du grain de blé à partir d’images en trois dimensions.
L’imagerie par tomographie au rayons X a été employée pour obtenir des images 3D du grain entier à différents stades de développement, avec une résolution spatiale de quelques microns. Un traitement des images 3D ainsi qu'une analyse statistique de forme, ont permis : i) d’identifier de manière semi-automatisée les compartiments du grain; ii) de définir des formes représentatives des grains à chaque stade de développement; iii) de quantifier les variations de morphologie au cours de la croissance. Ces travaux ont identifié les régions du grain particulièrement impliquées dans la croissance et les changements de forme. De futurs travaux consisteront à construire un modèle 4D (3D+temps) de la croissance du grain.
La spectrométrie de masse, couplée à la mobilité ionique à haute résolution, permet de déterminer les isoméries de modification ainsi que l'anomérie des oligosaccharides
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Schéma de principe de la mobilité ionique cyclique, utilisée pour séparer et déterminer différents isomères de composition ou de modification dans des oligo-porphyranes |
Les polysaccharides - composants des plantes terrestres et marines, notamment - forment une bioressource renouvelable et extrêmement abondante. Leur diversité chimique en fait une alternative attractive aux ressources carbonées non-renouvelables pour différents types de valorisations. Cependant, aujourd'hui, cette valorisation reste limitée car les structures détaillées de la plupart des polysaccharides naturels demeurent indéterminées. La complexité et l'hétérogénéité de ces molécules posent en effet un défi aux sciences analytiques : parmi les éléments structuraux clés qui déterminent leur fonction et leurs propriétés, les méthodes d'analyse doivent en particulier être capables de distinguer différents niveaux d'isoméries présents dans les polysaccharides.
L'apparition de la mobilité ionique couplée à la spectrométrie de masse, il y a quinze ans environ, apporte une perspective prometteuse en ce sens. En effet, cette technique permet de séparer les isomères dont les conformations en phase gazeuse sont différentes en amont de la spectrométrie de masse. Une avancée spectaculaire a été apportée par l'introduction de dispositifs à très haute résolution, comme la mobilité ionique cyclique. BIBS a été l'un des tous premiers laboratoires à s'en équiper fin 2019. Nous avons démontré que cette technologie permettait de différentier des isomères de constitution ou liés à des modifications (méthylation), mais aussi qu'elle était capable de déterminer l'anomérie du carbone en C1. Ces résultats marquent un vrai progrès dans la capacité de la spectrométrie de masse à lever des verrous en glycoscience structurale.
