TL1A-DR3 interaction regulates Th17 cell function and Th17-mediated autoimmune disease.

T helper type 17 (Th17) cells play an important pathogenic function in autoimmune diseases; their regulation, however, is not well understood. We show that the expression of a tumor necrosis factor receptor family member, death receptor 3 (DR3; also known as TNFRSF25), is selectively elevated in Th17 cells, and that TL1A, its cognate ligand, can promote the proliferation of effector Th17 cells. To further investigate the role of the TL1A-DR3 pathway in Th17 regulation, we generated a TL1A-deficient mouse and found that TL1A(-/-) dendritic cells exhibited a reduced capacity in supporting Th17 differentiation and proliferation. Consistent with these data, TL1A(-/-) animals displayed decreased clinical severity in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Finally, we demonstrated that during EAE disease progression, TL1A was required for the optimal differentiation as well as effector function of Th17 cells. These observations thus establish an important role of the TL1A-DR3 pathway in promoting Th17 cell function and Th17-mediated autoimmune disease.

Vessel centerline tracking and boundary sgementation in coronary MRA with minimal manual interaction.

Magnetic resonance angiography (MRA) provides a noninvasive means to detect the presence, location and severity of atherosclerosis throughout the vascular system. In such studies, and especially those in the coronary arteries, the vessel luminal area is typically measured at multiple cross-sectional locations along the course of the artery. The advent of fast volumetric imaging techniques covering proximal to mid segments of coronary arteries necessitates automatic analysis tools requiring minimal manual interactions to robustly measure cross-sectional area along the three-dimensional track of the arteries in under-sampled and non-isotropic datasets. In this work, we present a modular approach based on level set methods to track the vessel centerline, segment the vessel boundaries, and measure transversal area using two user-selected endpoints in each coronary of interest. Arterial area and vessel length are measured using our method and compared to the standard Soap-Bubble reformatting and analysis tool in in-vivo non-contrast enhanced coronary MRA images.

Mechanisms of interaction of therapeutic nanoparticles with cells

Nanoparticles (NPs) have gained a lot of interest in recent years due to their huge potential for applications in industry and medicine. Their unique properties offer a large number of attractive possibilities in the biomedical field, providing innovative tools for diagnosis of diseases and for novel therapies. Nevertheless, a deep understanding of their interactions with living tissues and the knowledge about their possible effects in the human body are necessary for the safe use of nanoparticulate formulations. The aim of this PhD project was to study in detail the interactions of therapeutic NPs with living cells, including cellular uptake and release, cellular localization and transport across the cell layers. Moreover, the effects of NPs on the cellular metabolic processes were determined using adapted in vitro assays. We evaluated the biological effect of several NPs potentially used in the biomedical field, including titanium dioxide (Ti02) NPs, 2-sized fluorescent silica NPs, ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) NPs, either uncoated or coated with oleic acid or with polyvinylamine (aminoPVA) and poly(lactic-co-glycolic acid) - polyethylene-oxide (PLGA-PEO) NPs. We have found that the NPs were internalized by the cells, depending on their size, chemical composition, surface coating and also depending on the cell line considered. The uptake of aminoPVA-coated USPIO NPs by endothelial cells was enhanced in the presence of an external magnetic field. None of the tested USPIO NPs and silica NPs was transported across confluent kidney cell layers or brain endothelial cell layers, even in the presence of a magnetic field. However, in an original endothelium-glioblastoma barrier model which was developed, uncoated USPIO NPs were directly transferred from endothelial cells to glioblastoma cells. Following uptake, Ti02 NPs and uncoated USPIO NPs were released by the kidney cells, but not by the endothelial cells. Furthermore, these NPs induced an oxidative stress and autophagy in brain endothelial cells, possibly associated with their enhanced agglomeration in cell medium. A significant DNA damage was found in brain endothelial cells after their exposure to TiO2NPs. Altogether these results extend the existing knowledge about the effects of NPs on living cells with regard to their physicochemical characteristics and provide interesting tools for further investigation. The development of the in vitro toxicological assays with a special consideration for risk evaluation aims to reduce the use of animal experiments. -Les nanoparticules (NPs) présentent beaucoup d'intérêt dans le domaine biomédical et industriel. Leurs propriétés uniques offrent un grand nombre de possibilités de solutions innovantes pour le diagnostique et la thérapie. Cependant, pour un usage sûr des NPs il est nécessaire d'acquérir une connaissance approfondie des mécanismes d'interactions des NPs avec les tissus vivants et de leur effets sur le corps humain. Le but de ce projet de thèse était d'étudier en détail les mécanismes d'interactions de NPs thérapeutiques avec des cellules vivantes, en particulier les mécanismes d'internalisation cellulaire et leur subséquente sécrétion par les cellules, leur localisation cellulaire, leur transport à travers des couches cellulaires, et l'évaluation des effets de NPs sur le métabolisme cellulaire, en adaptant les méthodes existante d'évaluation cyto-toxico logique s in vitro. Pour ces expériences, les effets biologiques de nanoparticules d'intérêt thérapeutique, telles que des NPs d'oxyde de titane (TiO2), des NPs fluorescents de silicate de 2 tailles différentes, des NPs, d'oxyde de fer super-para-magnétiques ultra-petites (USPIO), soit non- enrobées soit enrobées d'acide oléique ou de polyvinylamine (aminoPVA), et des NPs d'acide poly(lactique-co-glycolique)-polyethylene-oxide (PLGA-PEO) ont été évalués. Les résultats ont démontré que les NPs sont internalisées par les cellules en fonction de leur taille, composition chimique, enrobage de surface, et également du type de cellules utilisées. L'internalisation cellulaire des USPIO NPs a été augmentée en présence d'un aimant externe. Aucune des NPs de fer et de silicate n'a été transportée à travers des couches de cellules épithéliales du rein ou endothéliales du cerveau, même en présence d'un aimant. Cependant, en développant un modèle original de barrière endothélium-glioblastome, un transfert direct de NPs d'oxyde de fer de cellule endothéliale à cellule de glioblastome a été démontré. A la suite de leur internalisation les NPs d'oxyde de fer et de titane sont relâchées par des cellules épithéliales du rein, mais pas des cellules endothéliales du cerveau. Dans les cellules endothéliales du cerveau ces NPs induisent en fonction de leur état d'agglomération un stress oxydatif et des mécanismes d'autophagie, ainsi que des dommages à l'ADN des cellules exposées aux NPs d'oxyde de titane. En conclusion, les résultats obtenus élargissent les connaissances sur les effets exercés par des NPs sur des cellules vivantes et ont permis de développer les outils expérimentaux pour étudier ces effets in vitro, réduisant ainsi le recours à des expériences sur animaux.

The barrel cortex as a model to study dynamic neuroglial interaction.

There is increasing evidence that glial cells, in particular astrocytes, interact dynamically with neurons. The well-known anatomofunctional organization of neurons in the barrel cortex offers a suitable and promising model to study such neuroglial interaction. This review summarizes and discusses recent in vitro as well as in vivo works demonstrating that astrocytes receive, integrate, and respond to neuronal signals. In addition, they are active elements of brain metabolism and exhibit a certain degree of plasticity that affects neuronal activity. Altogether these findings indicate that the barrel cortex presents glial compartments overlapping and interacting with neuronal compartments and that these properties help define barrels as functional and independent units. Finally, this review outlines how the use of the barrel cortex as a model might in the future help to address important questions related to dynamic neuroglia interaction.

Four-corner bone arthrodesis with dorsal rectangular plate: series and personal technique.

Controversy exists about the best method to achieve bone fusion in four-corner arthrodesis. Thirty-five patients who underwent this procedure by our technique were included in the study. Surgical indications were stage II-III SLAC wrist, stage II SNAC wrist and severe traumatic midcarpal joint injury. Mean follow-up was 4.6 years. Mean active flexion and extension were 34 degrees and 30 degrees respectively; grip strength recovery was 79%. Radiological consolidation was achieved in all cases. The mean DASH score was 23 and the postoperative pain improvement by visual analogue scale was statistically significant. Return to work was possible at 4 months for the average patient. Complications were a capitate fracture in one patient and the need for hardware removal in four cases. Four-corner bone wrist arthrodesis by dorsal rectangular plating achieves an acceptable preservation of range of motion with good pain relief, an excellent consolidation rate and minimal complications.

Physical interaction between bacterial heat shock protein (Hsp) 90 and Hsp70 chaperones mediates their cooperative action to refold denatured proteins.

In eukaryotes, heat shock protein 90 (Hsp90) is an essential ATP-dependent molecular chaperone that associates with numerous client proteins. HtpG, a prokaryotic homolog of Hsp90, is essential for thermotolerance in cyanobacteria, and in vitro it suppresses the aggregation of denatured proteins efficiently. Understanding how the non-native client proteins bound to HtpG refold is of central importance to comprehend the essential role of HtpG under stress. Here, we demonstrate by yeast two-hybrid method, immunoprecipitation assays, and surface plasmon resonance techniques that HtpG physically interacts with DnaJ2 and DnaK2. DnaJ2, which belongs to the type II J-protein family, bound DnaK2 or HtpG with submicromolar affinity, and HtpG bound DnaK2 with micromolar affinity. Not only DnaJ2 but also HtpG enhanced the ATP hydrolysis by DnaK2. Although assisted by the DnaK2 chaperone system, HtpG enhanced native refolding of urea-denatured lactate dehydrogenase and heat-denatured glucose-6-phosphate dehydrogenase. HtpG did not substitute for DnaJ2 or GrpE in the DnaK2-assisted refolding of the denatured substrates. The heat-denatured malate dehydrogenase that did not refold by the assistance of the DnaK2 chaperone system alone was trapped by HtpG first and then transferred to DnaK2 where it refolded. Dissociation of substrates from HtpG was either ATP-dependent or -independent depending on the substrate, indicating the presence of two mechanisms of cooperative action between the HtpG and the DnaK2 chaperone system.

Synergistic and antagonistic interaction between different branches of the immune system is related to melanin-based coloration in nestling tawny owls.

When exposed to parasites, hosts often mount energetically expensive immune responses, and this may alter resource allocation between competing life history traits including other components of the immune system. Here, we investigated whether a humoral immune challenge towards a vaccine reduces or enhances the cutaneous immune responses towards an injection of lipopolysaccharid (LPS, innate immunity) and phytohaemagglutinin (PHA, T-cell immunity) in nestling tawny owls in interaction with the degree of plumage melanin-based coloration. The humoral immune challenge enhanced the response to LPS similarly in differently coloured nestlings. In contrast, the same humoral immune challenge enhanced immune response to PHA in dark reddish melanic nestlings while reducing it in pale reddish melanic nestlings. Our results highlight that both antagonistic and synergistic interactions can take place among branches of immune system, and that the sign and magnitude of these interactions can vary with immune responses involved and the degree of melanin-based coloration.

Characterization of Fas (Apo-1, CD95)-Fas ligand interaction.

The death-inducing receptor Fas is activated when cross-linked by the type II membrane protein Fas ligand (FasL). When human soluble FasL (sFasL, containing the extracellular portion) was expressed in human embryo kidney 293 cells, the three N-linked glycans of each FasL monomer were found to be essential for efficient secretion. Based on the structure of the closely related lymphotoxin alpha-tumor necrosis factor receptor I complex, a molecular model of the FasL homotrimer bound to three Fas molecules was generated using knowledge-based protein modeling methods. Point mutations of amino acid residues predicted to affect the receptor-ligand interaction were introduced at three sites. The F275L mutant, mimicking the loss of function murine gld mutation, exhibited a high propensity for aggregation and was unable to bind to Fas. Mutants P206R, P206D, and P206F displayed reduced cytotoxicity toward Fas-positive cells with a concomitant decrease in the binding affinity for the recombinant Fas-immunoglobulin Fc fusion proteins. Although the cytotoxic activity of mutant Y218D was unaltered, mutant Y218R was inactive, correlating with the prediction that Tyr-218 of FasL interacts with a cluster of three basic amino acid side chains of Fas. Interestingly, mutant Y218F could induce apoptosis in murine, but not human cells.

Événements et déformations tardi-métamorphiques dans le segment Ossola-Ticino (Val Vigezzo-Centovalli, Italie-Suisse)

RESUME: Une zone tectonique large et complexe, connue sous le nom de ligne des Centovalli, traverse le secteur des Alpes Centrales compris entre Domodossola et Locarno. Cette région, formée par le Val Vigezzo et la vallée des Centovalli, constitue la terminaison méridionale du dôme Lepontin et représente une portion de la zone des racines des nappes alpines. Elle fait partie d’une grande et complexe zone de cisaillement, en partie associée à des phénomènes hydrothermaux d’âge alpin (<20 Ma), qui comprend le système tectonique Insubrien et celui du Simplon. Le Val Vigezzo et les Centovalli constituent un vrai carrefour entre les principaux accidents tectoniques des Alpes ainsi qu'une zone de juxtaposition du socle Sudalpin avec la zone des racines de l’Austroalpin et du Pennique. Les phases de déformation et les structures géologiques qui peuvent être étudiées s'étalent sur une période comprise entre environ 35 Ma et l'actuel. L’étude détaillée de terrain a mis en évidence la présence de nombreuses roches et structures de déformation de type ductile et cassant tels que des mylonites, des cataclasites, des pseudotachylites, des kakirites, des failles minéralisées, des gouges de faille et des plis. Sur le terrain on a pu distinguer au moins quatre générations de plis liés aux différentes phases de déformation. Le nombre et la complexité de ces structures indiquent une histoire très compliquée, selon plusieurs étapes distinctes, parfois liées, voire même superposées. Une partie de ces structures de déformation affectent aussi les dépôts sédimentaires d’âge quaternaire, notamment des limons et des sables lacustres. Ces sédiments constituent les restes d'un bassin lacustre attribué à l'époque interglaciaire Riss/Würm (éemien, 67.000-120.000 ans) et ils affleurent dans la partie centrale de la zone étudiée, à l'Est de la plaine de Santa Maria Maggiore. Ces sédiments montrent en leur sein toute une série de structures de déformation tels que des plans de faille inverses, des structures conjuguées de raccourcissement et des véritables plis. Ces failles et ces plis représenteraient les évidences de surface d’une déformation probablement active en époque quaternaire. Une autre formation rocheuse a retenu tout notre attention; il s'agit d'un corps de brèches péridotitiques monogéniques qui affleure en discontinuité le long du versant méridional et le long du fond de la vallée Vigezzo sur environ 20 km. Ces brèches se posent indifféremment sur le socle (unités Finero, Orselina) ou sur les sédiments lacustres. Elles sont traversées par des plans de failles qui développent des véritables stries de faille et des gouges de faille; l’orientation de ces plans est la même que celle affectant les failles à gouges du socle. La genèse de cette brèche est liée à l'altération et au modelage glacier (rock-glaciers) d'une brèche tectonique originelle qui borde la partie externe du Corps de Finero. Les structures de déformation de cette brèche, pareillement à celles des sédiments lacustres, ont été considérées comme les évidences de surface d'une tectonique quaternaire active dans la région. La dernière phase de déformation cassante qui affecte cette région peut donc être considérée comme active en époque quaternaire. Une vue d’ensemble de la région étudiée nous permet de reconnaître à l’échelle régionale une zone de cisaillement complexe orientée E-W, parallèlement à l’axe de la vallée Centovalli-Val Vigezzo. Les données de terrain, indiquent que cette zone de cisaillement débute sous conditions ductiles et évolue en plusieurs étapes jusqu’à des conditions de failles cassantes de surface. La reconstruction de l'évolution géodynamique de la région a permis de définir trois étapes distinctes qui marquent le passage, de ce secteur de socle cristallin, de conditions P-T profondes à des conditions de surface. Dans ce contexte, on a reconnu trois phases principales de déformation à l’échelle régionale qui caractérisent ces trois étapes. La phase la plus ancienne est constituée par des mylonites en faciès amphibolite, associées à des mouvements de cisaillement dextre, qui sont ensuite remplacés par des mylonites en faciès schistes verts et des plis rétrovergentes liés au rétrocharriage des nappes alpines. Une deuxième étape est identifiée par le développement d’une phase hydrothermale liée à un système de failles extensives et décrochantes dextres à direction principale E-W, NE-SW et NW-SE. Leur caractérisation minéralogique a permis la mise en évidence des phases cristallines de néoformation liées à cet événement constituées par : K-feldspath (microcline), chlorites (Fe+Mg), épidotes, prehnite, zéolites (laumontite), sphène, calcite. Dans ce contexte, pour obtenir une meilleure caractérisation de cet événement hydrothermal on a utilisé des géothermomètres sur chlorites, sensible aussi à la pression et a la a(H2O), qui ont donné des valeurs descendantes comprises entre 450-200°C. Les derniers mouvements sont mis en évidence par le développement d’une série de plans majeurs de failles à gouge, qui forment une structure en sigmoïdes d’épaisseur kilométrique reconnaissable à l’échelle de la vallée et caractérisée par des mouvements transpressifs avec une composante décrochante dextre toujours importante. Cette phase de déformation forme un système conjugué de failles avec direction moyenne E-W qui coupent la zone des racines des nappes alpines, la zone du Canavese et le corps ultramafique de Finero. Ce système se déroule de manière subparallèle à l'axe de la vallée le long de plusieurs dizaines de kilomètres. Une analyse complète et détaillée des gouges de faille par XRD a montré que la fraction argileuse (<2 µm) de ces gouges contient une partie de néoformation très importante constituée par, des illites, des chlorites et des interstratifiés de type illite/smectite ou chlorite/smectite. Des datations avec méthode K-Ar sur ces illites ont donné des valeurs comprises entre 12 et 4 Ma qui représentent l'âge de cette dernière déformation cassante. L'application de la méthode de la cristallinité de l'illite (C.I.) a permis d'évaluer les conditions thermiques qui caractérisent le déroulement de cette dernière phase tectonique qui se produit sous conditions de température caractéristiques de l'anchizone et de la diagenèse. L'ensemble des structures de déformation qu'on vient de décrire s'insère parfaitement dans le contexte de convergence oblique entre la plaque adriatique et celle européenne qui à produit l'orogène alpin. On peut considérer les structures tectoniques du Val Vigezzo-Centovalli comme l'expression d'une zone majeure de cisaillement "Simplo-Insubrienne". L'empilement structural et les structures tectoniques affleurantes dans la région sont le résultat de l'interaction entre un régime tectonique transpressif et un régime transtensif. Ces deux champs de tension sont antagonistes entre eux mais sont reliés, de toute façon, à une seule phase décrochante dextre principale, due à une convergence oblique entre deux plaques. À l'échelle de l'évolution géodynamique on peut distinguer différentes étapes au cours desquelles les structures de ces deux régimes tectoniques interagissent en manière différente. En accord avec les données géophysiques et les reconstructions paléodynamiques prises dans la littérature on considère que la ligne Rhône-Simplon-Centovalli représente l'évidence de surface de la suture majeure profonde entre la plaque Adriatique et celle Européenne. Les vitesses de soulèvement qui ont été calculées dans cette étude pour cette région des Alpes donnent une valeur moyenne de 0.8 mm/a qui est tout à fait comparable avec les données proposées par la littérature sur cette zone. La zone Val Vigezzo-Centovalli peut être donc considérée comme un carrefour géologique où se croisent différentes phases tectoniques qui représentent les évidences de surface d'une suture profonde majeure entre deux plaques dans un contexte de collision continentale. ABSTRACT: A wide and complex tectonic zone known as Centovalli line, crosses the Central Alps sector between Domodossola and Locarno. This area, formed by the Vigezzo Valley and Centovalli valley, constitutes the southernmost termination of the Lepontin dome and represents a portion of the alpine nappes root zone. It belongs to a large and complex shear-zone, partly associated with hydrothermal phenomena of alpine age (<20 My), which includes the Insubric Line and the Simplon fault zone. Vigezzo Valley and Centovalli constitute a real crossroads between the mains alpines tectonics lines as well as a zone of juxtaposition of the Southalpine basement with the Austroalpin and Pennique root zone. The deformation phases and the geological structures that can be studied between approximately 35 My and the present. The detailed field study showed the presence of many brittle and ductile deformation structures and fault rocks such as mylonites, cataclasites, pseudotachylites, kakirites, mineralized faults, fault gouges and folds. In the field we could distinguish at least four folds generations related to the various deformation phases. The number and the complexity of these structures indicate a very complicated history, comprising several different stages, that sometimes are related and even superimposed. Part of these deformation structures affect also the sedimentary deposits of quaternary age, in particular the silts and sands lake deposit. These sediments constitute the remainders of a lake basin ascribed to the interglacial Riss/Würm (Eemien, 67.000-120.000 years) and outcroping in the central part of the studied area, in the Eastern part of Santa Maria Maggiore plain. These sediments show a whole series of deformation structures such as inverse fault planes, combined shortening structures and true folds. These faults and folds would represent the surface evidence of a probably active tectonic deformation in quaternary time. Another rock formation attracted all our attention. It is a body of monogenic peridotite breccia which outcrops in discontinuity along the southernmost slope and the bottom of the Vigezzo valley on approximately 20 km. This breccia lies indifferently on the basement (Finero and Orselina units) or on the lake sediments. They are crossed by fault planes which developed slikenside and fault gouges whose orientation is the same of the faults gouges in the alpine basement. This breccia results from the weathering and the surface modelling of an original tectonic breccia which borders the external part of Finero peridotite body. This breccia deformation structures, like those of the lake sediments, were regarded as the surface interaction of active quaternary tectonics in the area. So the last brittle deformation phases which affects this area seems to be actives in quaternary time. Theoverall picture of the studied area on a regional scale enables us to point out a complex shear-zone directed E-W, parallel to the axis of the Centovalli and Vigezzo Valley. The field analysis indicates that this shear-zone began under ductile conditions and evolved in several stages to brittle faulting under surface conditions. The analysis of the geodynamic evolution of the area allows to define three different stages which mark the transition of this alpine basement root zone, from deep P-T conditions to P-T surface conditions. In this context on regional scale three principal deformation phases, which characterize these three stages can be distinguished. The oldest phase consisted of the amphibolitie facies mylonites, associated to dextral strikeslip movements. They are then replaced by green-schists facies mylonites and backfolds related to the backthrusting of the alpines nappes. A second episode is caracterized by the development of an hydrothermal phase bound to an extensive fault and dextral strike-slip fault system, with E-W, NW-SE and SE-NW principal directionsThe principal neoformed mineral phases related to this event are: K-feldspar (microcline), chlorites (Fe+Mg), epidotes prehnite, zéolites (laumontite), sphene and calcite. In this context, to obtain a better characterization of this hydrothermal event, we have used an chlorite geothermometer, sensitive also to the pressure and has the a(H2O), which gave downward values ranging between 450-200°C. The last movements are caracterized by the development of important gouge fault plans, which form a sigmoid structure of kilometric thickness which is recognizable at the valley scale, and is characterized by transpressive movements always with a significant dextral strike-slip component. This deformation phase forms a combined faults system with an average E-W direction, which cuts trough the alpine root zone, the Canavese zone and the Finero ultramafic body. This fault system takes place subparallel to the axis of the valley over several tens of kilometers. A complete and detailed XRD analysis of the gouges fault showed that the clay fraction (<2µm) contains a very significant neo-formation of illite, chlorites and mixed layered clays such as illite/smectite or chlorite/smectite. The K-Ar datings of the illite fraction <2µm gave values ranging between 12 and 4 My and the illite fraction <0.2µm gave more recents values until to 2,4-0 My.This values represent the age of this last brittle deformation. The application of the illite crystallinity method (C.I.) allowed evaluating the thermal conditions which characterize this tectonic phase that occured under temperature conditions of the anchizone and diagenesis. The whole set of deformation structures which we just described, perfectly fit the context of oblique convergence between the Adriatic and the European plate that produced the alpine orogen. We can regard the Vigezzo valley and Centovalli tectonic structures as the expression of a major "Simplo-Insubric" shear-zone. Structural stacking and tectonic structures that outcrop in the studied area, are the result of the interaction between a transpressive and a transtensve tectonic phases. These two tension fields are antagonistic but they are also connected, in any event, with only one principal dextral strike-slip movement, caused by an oblique convergence between two plates. On the geodynamic evolution scale we can distinguish various stages during which these two tectonic structures fields interact in various ways. In agreement with the geophysical data and the paleodynamic recostructions taken in the literature we considers that the Rhone-Simplon-Centovalli line are the surface feature of the major collision between the Adriatique and the European plate at depth. The uplift speeds we calculated in this study for this Alpine area give an average value of 0.8 mm/a, which is in good agreement with the data suggested by the literature on this zone. TheVigezzo Valley and Centovalli zone can therefore be regarded as a geological crossroad where various tectonic phases are superimposed. They represent the evidences of a major and deeper suture between two plates in a continental collision context.

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

GIS and geodatabases application to global scale plate tectonics modelling

Les reconstructions palinspastiques fournissent le cadre idéal à de nombreuses études géologiques, géographiques, océanographique ou climatiques. En tant qu?historiens de la terre, les "reconstructeurs" essayent d?en déchiffrer le passé. Depuis qu?ils savent que les continents bougent, les géologues essayent de retracer leur évolution à travers les âges. Si l?idée originale de Wegener était révolutionnaire au début du siècle passé, nous savons depuis le début des années « soixante » que les continents ne "dérivent" pas sans but au milieu des océans mais sont inclus dans un sur-ensemble associant croûte « continentale » et « océanique »: les plaques tectoniques. Malheureusement, pour des raisons historiques aussi bien que techniques, cette idée ne reçoit toujours pas l'écho suffisant parmi la communauté des reconstructeurs. Néanmoins, nous sommes intimement convaincus qu?en appliquant certaines méthodes et certains principes il est possible d?échapper à l?approche "Wégenerienne" traditionnelle pour enfin tendre vers la tectonique des plaques. Le but principal du présent travail est d?exposer, avec tous les détails nécessaires, nos outils et méthodes. Partant des données paléomagnétiques et paléogéographiques classiquement utilisées pour les reconstructions, nous avons développé une nouvelle méthodologie replaçant les plaques tectoniques et leur cinématique au coeur du problème. En utilisant des assemblages continentaux (aussi appelés "assemblées clés") comme des points d?ancrage répartis sur toute la durée de notre étude (allant de l?Eocène jusqu?au Cambrien), nous développons des scénarios géodynamiques permettant de passer de l?une à l?autre en allant du passé vers le présent. Entre deux étapes, les plaques lithosphériques sont peu à peu reconstruites en additionnant/ supprimant les matériels océaniques (symbolisés par des isochrones synthétiques) aux continents. Excepté lors des collisions, les plaques sont bougées comme des entités propres et rigides. A travers les âges, les seuls éléments évoluant sont les limites de plaques. Elles sont préservées aux cours du temps et suivent une évolution géodynamique consistante tout en formant toujours un réseau interconnecté à travers l?espace. Cette approche appelée "limites de plaques dynamiques" intègre de multiples facteurs parmi lesquels la flottabilité des plaques, les taux d'accrétions aux rides, les courbes de subsidence, les données stratigraphiques et paléobiogéographiques aussi bien que les évènements tectoniques et magmatiques majeurs. Cette méthode offre ainsi un bon contrôle sur la cinématique des plaques et fournit de sévères contraintes au modèle. Cette approche "multi-source" nécessite une organisation et une gestion des données efficaces. Avant le début de cette étude, les masses de données nécessaires était devenues un obstacle difficilement surmontable. Les SIG (Systèmes d?Information Géographiques) et les géo-databases sont des outils informatiques spécialement dédiés à la gestion, au stockage et à l?analyse des données spatialement référencées et de leurs attributs. Grâce au développement dans ArcGIS de la base de données PaleoDyn nous avons pu convertir cette masse de données discontinues en informations géodynamiques précieuses et facilement accessibles pour la création des reconstructions. Dans le même temps, grâce à des outils spécialement développés, nous avons, tout à la fois, facilité le travail de reconstruction (tâches automatisées) et amélioré le modèle en développant fortement le contrôle cinématique par la création de modèles de vitesses des plaques. Sur la base des 340 terranes nouvellement définis, nous avons ainsi développé un set de 35 reconstructions auxquelles est toujours associé un modèle de vitesse. Grâce à cet ensemble de données unique, nous pouvons maintenant aborder des problématiques majeurs de la géologie moderne telles que l?étude des variations du niveau marin et des changements climatiques. Nous avons commencé par aborder un autre problème majeur (et non définitivement élucidé!) de la tectonique moderne: les mécanismes contrôlant les mouvements des plaques. Nous avons pu observer que, tout au long de l?histoire de la terre, les pôles de rotation des plaques (décrivant les mouvements des plaques à la surface de la terre) tendent à se répartir le long d'une bande allant du Pacifique Nord au Nord de l'Amérique du Sud, l'Atlantique Central, l'Afrique du Nord, l'Asie Centrale jusqu'au Japon. Fondamentalement, cette répartition signifie que les plaques ont tendance à fuir ce plan médian. En l'absence d'un biais méthodologique que nous n'aurions pas identifié, nous avons interprété ce phénomène comme reflétant l'influence séculaire de la Lune sur le mouvement des plaques. La Lune sur le mouvement des plaques. Le domaine océanique est la clé de voute de notre modèle. Nous avons attaché un intérêt tout particulier à le reconstruire avec beaucoup de détails. Dans ce modèle, la croûte océanique est préservée d?une reconstruction à l?autre. Le matériel crustal y est symbolisé sous la forme d?isochrones synthétiques dont nous connaissons les âges. Nous avons également reconstruit les marges (actives ou passives), les rides médio-océaniques et les subductions intra-océaniques. En utilisant ce set de données très détaillé, nous avons pu développer des modèles bathymétriques 3-D unique offrant une précision bien supérieure aux précédents.<br/><br/>Palinspastic reconstructions offer an ideal framework for geological, geographical, oceanographic and climatology studies. As historians of the Earth, "reconstructers" try to decipher the past. Since they know that continents are moving, geologists a trying to retrieve the continents distributions through ages. If Wegener?s view of continent motions was revolutionary at the beginning of the 20th century, we know, since the Early 1960?s that continents are not drifting without goal in the oceanic realm but are included in a larger set including, all at once, the oceanic and the continental crust: the tectonic plates. Unfortunately, mainly due to technical and historical issues, this idea seems not to receive a sufficient echo among our particularly concerned community. However, we are intimately convinced that, by applying specific methods and principles we can escape the traditional "Wegenerian" point of view to, at last, reach real plate tectonics. This is the main aim of this study to defend this point of view by exposing, with all necessary details, our methods and tools. Starting with the paleomagnetic and paleogeographic data classically used in reconstruction studies, we developed a modern methodology placing the plates and their kinematics at the centre of the issue. Using assemblies of continents (referred as "key assemblies") as anchors distributed all along the scope of our study (ranging from Eocene time to Cambrian time) we develop geodynamic scenarios leading from one to the next, from the past to the present. In between, lithospheric plates are progressively reconstructed by adding/removing oceanic material (symbolized by synthetic isochrones) to major continents. Except during collisions, plates are moved as single rigid entities. The only evolving elements are the plate boundaries which are preserved and follow a consistent geodynamical evolution through time and form an interconnected network through space. This "dynamic plate boundaries" approach integrates plate buoyancy factors, oceans spreading rates, subsidence patterns, stratigraphic and paleobiogeographic data, as well as major tectonic and magmatic events. It offers a good control on plate kinematics and provides severe constraints for the model. This multi-sources approach requires an efficient data management. Prior to this study, the critical mass of necessary data became a sorely surmountable obstacle. GIS and geodatabases are modern informatics tools of specifically devoted to store, analyze and manage data and associated attributes spatially referenced on the Earth. By developing the PaleoDyn database in ArcGIS software we converted the mass of scattered data offered by the geological records into valuable geodynamical information easily accessible for reconstructions creation. In the same time, by programming specific tools we, all at once, facilitated the reconstruction work (tasks automation) and enhanced the model (by highly increasing the kinematic control of plate motions thanks to plate velocity models). Based on the 340 terranes properly defined, we developed a revised set of 35 reconstructions associated to their own velocity models. Using this unique dataset we are now able to tackle major issues of the geology (such as the global sea-level variations and climate changes). We started by studying one of the major unsolved issues of the modern plate tectonics: the driving mechanism of plate motions. We observed that, all along the Earth?s history, plates rotation poles (describing plate motions across the Earth?s surface) tend to follow a slight linear distribution along a band going from the Northern Pacific through Northern South-America, Central Atlantic, Northern Africa, Central Asia up to Japan. Basically, it sighifies that plates tend to escape this median plan. In the absence of a non-identified methodological bias, we interpreted it as the potential secular influence ot the Moon on plate motions. The oceanic realms are the cornerstone of our model and we attached a particular interest to reconstruct them with many details. In this model, the oceanic crust is preserved from one reconstruction to the next. The crustal material is symbolised by the synthetic isochrons from which we know the ages. We also reconstruct the margins (active or passive), ridges and intra-oceanic subductions. Using this detailed oceanic dataset, we developed unique 3-D bathymetric models offering a better precision than all the previously existing ones.