Investigation of resins suitable for the preparation of biological sample for 3-D electron microscopy.

In the last two decades, the third-dimension has become a focus of attention in electron microscopy to better understand the interactions within subcellular compartments. Initially, transmission electron tomography (TEM tomography) was introduced to image the cell volume in semi-thin sections (∼500nm). With the introduction of the focused ion beam scanning electron microscope, a new tool, FIB-SEM tomography, became available to image much larger volumes. During TEM tomography and FIB-SEM tomography, the resin section is exposed to a high electron/ion dose such that the stability of the resin embedded biological sample becomes an important issue. The shrinkage of a resin section in each dimension, especially in depth, is a well-known phenomenon. To ensure the dimensional integrity of the final volume of the cell, it is important to assess the properties of the different resins and determine the formulation which has the best stability in the electron/ion beam. Here, eight different resin formulations were examined. The effects of radiation damage were evaluated after different times of TEM irradiation. To get additional information on mass-loss and the physical properties of the resins (stiffness and adhesion), the topography of the irradiated areas was analysed with atomic force microscopy (AFM). Further, the behaviour of the resins was analysed after ion milling of the surface of the sample with different ion currents. In conclusion, two resin formulations, Hard Plus and the mixture of Durcupan/Epon, emerged that were considerably less affected and reasonably stable in the electron/ion beam and thus suitable for the 3-D investigation of biological samples.

Persisting atypical and cystic forms of Borrelia burgdorferi and local inflammation in Lyme neuroborreliosis

BACKGROUND: The long latent stage seen in syphilis, followed by chronic central nervous system infection and inflammation, can be explained by the persistence of atypical cystic and granular forms of Treponema pallidum. We investigated whether a similar situation may occur in Lyme neuroborreliosis. METHOD: Atypical forms of Borrelia burgdorferi spirochetes were induced exposing cultures of Borrelia burgdorferi (strains B31 and ADB1) to such unfavorable conditions as osmotic and heat shock, and exposure to the binding agents Thioflavin S and Congo red. We also analyzed whether these forms may be induced in vitro, following infection of primary chicken and rat neurons, as well as rat and human astrocytes. We further analyzed whether atypical forms similar to those induced in vitro may also occur in vivo, in brains of three patients with Lyme neuroborreliosis. We used immunohistochemical methods to detect evidence of neuroinflammation in the form of reactive microglia and astrocytes. RESULTS: Under these conditions we observed atypical cystic, rolled and granular forms of these spirochetes. We characterized these abnormal forms by histochemical, immunohistochemical, dark field and atomic force microscopy (AFM) methods. The atypical and cystic forms found in the brains of three patients with neuropathologically confirmed Lyme neuroborreliosis were identical to those induced in vitro. We also observed nuclear fragmentation of the infected astrocytes using the TUNEL method. Abundant HLA-DR positive microglia and GFAP positive reactive astrocytes were present in the cerebral cortex. CONCLUSION: The results indicate that atypical extra- and intracellular pleomorphic and cystic forms of Borrelia burgdorferi and local neuroinflammation occur in the brain in chronic Lyme neuroborreliosis. The persistence of these more resistant spirochete forms, and their intracellular location in neurons and glial cells, may explain the long latent stage and persistence of Borrelia infection. The results also suggest that Borrelia burgdorferi may induce cellular dysfunction and apoptosis. The detection and recognition of atypical, cystic and granular forms in infected tissues is essential for the diagnosis and the treatment as they can occur in the absence of the typical spiral Borrelia form.

Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.