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.

Intervention précoce dans la phase initiale des troubles psychotiques à Lausanne: quels problèmes et quelles solutions [Early intervention for the initial phase of psychotic disorders in Lausanne: what problems and what solutions?]

Schizophrenia has long been considered with pessimism, but the recent interest in the early phase of psychotic disorders has modified this often unjustified perception. Literature has demonstrated the benefit of the development of programs specialised in the treatment of early psychosis, which tend to be developed in many countries. It is however important to match them to local needs as well as to the structure of local health services. This paper reviews elements that justify such a development in Lausanne, Switzerland, and describe its various elements.

Some solutions to obtain very efficient separations in isocratic and gradient modes using small particles size and ultra-high pressure.

The UHPLC strategy which combines sub-2 microm porous particles and ultra-high pressure (>1000 bar) was investigated considering very high resolution criteria in both isocratic and gradient modes, with mobile phase temperatures between 30 and 90 degrees C. In isocratic mode, experimental conditions to reach the maximal efficiency were determined using the kinetic plot representation for DeltaP(max)=1000 bar. It has been first confirmed that the molecular weight of the compounds (MW) was a critical parameter which should be considered in the construction of such curves. With a MW around 1000 g mol(-1), efficiencies as high as 300,000 plates could be theoretically attained using UHPLC at 30 degrees C. By limiting the column length to 450 mm, the maximal plate count was around 100,000. In gradient mode, the longest column does not provide the maximal peak capacity for a given analysis time in UHPLC. This was attributed to the fact that peak capacity is not only related to the plate number but also to column dead time. Therefore, a compromise should be found and a 150 mm column should be preferentially selected for gradient lengths up to 60 min at 30 degrees C, while the columns coupled in series (3x 150 mm) were attractive only for t(grad)>250 min. Compared to 30 degrees C, peak capacities were increased by about 20-30% for a constant gradient length at 90 degrees C and gradient time decreased by 2-fold for an identical peak capacity.

Swallowing difficulties with oral drugs among polypharmacy patients attending community pharmacies.

Background Swallowing difficulties are common and can affect patients' ability to take solid oral dosage forms, thus compromising medication adherence. Strategies developed by patients to overcome such difficulties while taking medicines have seldom been described. Objective To determine prevalence and characteristics of swallowing difficulties among primary care patients attending their community pharmacies; to explore strategies developed by patients to overcome their difficulties, and health professionals' awareness of these problems. Setting Prospective study with a semi-structured questionnaire in random community pharmacies located in two Swiss regions. Method In each pharmacy, an interviewer asked 16 questions to each consecutive patient (18 years and older) with a prescription for at least 3 different solid oral forms. Main outcome measure Quantification of number of patients with swallowing difficulties and detailed description of difficulties. Results Among 122 pharmacies, 59 (48 %) accepted to join the study and 410 patients were enrolled. Thirty-seven patients (9.0 %) reported ongoing swallowing difficulties, while 55 patients (13.4 %) reported past difficulties. For the majority of patients, difficulties occurred at each single dose (83.7 %), with a single medication (59.8 %) and lasted for less than 12 months (53.8 %). Number of tablets was not the main trigger. Swallowing difficulties impaired extremely daily life in 12 % of the patients. Intentional non adherence (23 % of patients) and altering the oral dose formulation were the most common and potentially harmful strategies used by patients to overcome their swallowing difficulties. According to the patients, pharmacists and physicians rarely inquired about their swallowing difficulties. Conclusion We report a fairly high prevalence of swallowing difficulties in polypharmacy patients attending their community pharmacies. Pharmacists have to interview patients on their swallowing difficulties in a more systematic way, support patients in finding solutions and refer them to their physician if necessary to ensure continuity in care.

Random mating with a finite number of matings.

Random mating is the null model central to population genetics. One assumption behind random mating is that individuals mate an infinite number of times. This is obviously unrealistic. Here we show that when each female mates a finite number of times, the effective size of the population is substantially decreased.

The average crossing number of equilateral random polygons.

In this paper, we study the average crossing number of equilateral random walks and polygons. We show that the mean average crossing number ACN of all equilateral random walks of length n is of the form . A similar result holds for equilateral random polygons. These results are confirmed by our numerical studies. Furthermore, our numerical studies indicate that when random polygons of length n are divided into individual knot types, the for each knot type can be described by a function of the form where a, b and c are constants depending on and n0 is the minimal number of segments required to form . The profiles diverge from each other, with more complex knots showing higher than less complex knots. Moreover, the profiles intersect with the ACN profile of all closed walks. These points of intersection define the equilibrium length of , i.e., the chain length at which a statistical ensemble of configurations with given knot type -upon cutting, equilibration and reclosure to a new knot type -does not show a tendency to increase or decrease . This concept of equilibrium length seems to be universal, and applies also to other length-dependent observables for random knots, such as the mean radius of gyration Rg.

Determination of DNA persistence length by cryo-electron microscopy. Separation of the static and dynamic contributions to the apparent persistence length of DNA.

Axial deflection of DNA molecules in solution results from thermal motion and intrinsic curvature related to the DNA sequence. In order to measure directly the contribution of thermal motion we constructed intrinsically straight DNA molecules and measured their persistence length by cryo-electron microscopy. The persistence length of such intrinsically straight DNA molecules suspended in thin layers of cryo-vitrified solutions is about 80 nm. In order to test our experimental approach, we measured the apparent persistence length of DNA molecules with natural "random" sequences. The result of about 45 nm is consistent with the generally accepted value of the apparent persistence length of natural DNA sequences. By comparing the apparent persistence length to intrinsically straight DNA with that of natural DNA, it is possible to determine both the dynamic and the static contributions to the apparent persistence length.