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.

Atomic force microscopy of nucleoprotein complexes.

Recent data on the AFM studies of nucleoprotein complexes of different types are reviewed in this paper. The first section describes the progress in the sample preparation methods for AFM studies of nucleic acids and nucleoprotein complexes. The second part of this paper reviews AFM data on studies of complexes of DNA with regulatory proteins. These studies include two different types of DNA distortion induced by proteins binding: local bending of DNA at sites of protein binding and formation of large loops due to protein-protein interactions between molecules bound to distant sites along the DNA molecules (DNA looping). The prospects for use of AFM for physical mapping of genomes are discussed in this section as well. The third part of the paper reviews data on studies of complexes of DNA with non-sequence specific binding proteins. Special emphasis is given to studies of chromatin which have resulted in progress in the understanding of structure of native chromatin fiber. In this section, novel data on AFM studies of RecA-DNA filaments and complexes of dsRNA with the dsRNA-specific protein p25 are also presented. Discussion of the substrate preparation procedures in relation to the AFM studies of nucleoprotein complexes is given in the final section.

Does abdominoplasty with liposuction of the love handles yield a shorter scar? An analysis with abdominal 3D laser scanning.

The aim of this study was to evaluate the combination of abdominoplasty with liposuction of both flanks with regards to length of scar, complications, and patient's satisfaction. A retrospective analysis of 35 patients who underwent esthetic abdominoplasty at our institution between 2002 and 2004 was performed. Thirteen patients underwent abdominoplasty with liposuction of both flanks, 22 patients underwent conventional abdominoplasty. Liposuction of the flanks did not increase the rate of complications of the abdominoplasty procedures. We found a tendency toward shorter scars in patients who underwent abdominoplasty combined with liposuction of the flanks. Implementation of 3-dimensional laser surface scanning to objectify the postoperative outcomes, documented a comparable degree of flatness of the achieved body contouring in both procedures. 3-dimensional laser surface scanning can be a valuable tool to objectify assessment of postoperative results.

Les traces de pneumatiques en sciences forensiques : de l'analyse chimique à l'évaluation de la force probante

This work is focused on the development of a methodology for the use of chemical characteristic of tire traces to help answer the following question: "Is the offending tire at the origin of the trace found on the crime scene?". This methodology goes from the trace sampling on the road to statistical analysis of its chemical characteristics. Knowledge about the composition and manufacture of tread tires as well as a review of instrumental techniques used for the analysis of polymeric materials were studied to select, as an ansi vi cal technique for this research, pyrolysis coupled to a gas Chromatograph with a mass spectrometry detector (Py-GC/MS). An analytical method was developed and optimized to obtain the lowest variability between replicates of the same sample. Within-variability of the tread was evaluated regarding width and circumference with several samples taken from twelve tires of different brands and/or models. The variability within each of the treads (within-variability) and between the treads (between-variability) could be quantified. Different statistical methods have shown that within-variability is lower than between-variability, which helped differentiate these tires. Ten tire traces were produced with tires of different brands and/or models by braking tests. These traces have been adequately sampled using sheets of gelatine. Particles of each trace were analysed using the same methodology as for the tires at their origin. The general chemical profile of a trace or of a tire has been characterized by eighty-six compounds. Based on a statistical comparison of the chemical profiles obtained, it has been shown that a tire trace is not differentiable from the tire at its origin but is generally differentiable from tires that are not at its origin. Thereafter, a sample containing sixty tires was analysed to assess the discrimination potential of the developed methodology. The statistical results showed that most of the tires of different brands and models are differentiable. However, tires of the same brand and model with identical characteristics, such as country of manufacture, size and DOT number, are not differentiable. A model, based on a likelihood ratio approach, was chosen to evaluate the results of the comparisons between the chemical profiles of the traces and tires. The methodology developed was finally blindly tested using three simulated scenarios. Each scenario involved a trace of an unknown tire as well as two tires possibly at its origin. The correct results for the three scenarios were used to validate the developed methodology. The different steps of this work were useful to collect the required information to test and validate the underlying assumption that it is possible to help determine if an offending tire » or is not at the origin of a trace, by means of a statistical comparison of their chemical profile. This aid was formalized by a measure of the probative value of the evidence, which is represented by the chemical profile of the trace of the tire. - Ce travail s'est proposé de développer une méthodologie pour l'exploitation des caractéristiques chimiques des traces de pneumatiques dans le but d'aider à répondre à la question suivante : «Est-ce que le pneumatique incriminé est ou n'est pas à l'origine de la trace relevée sur les lieux ? ». Cette méthodologie s'est intéressée du prélèvement de la trace de pneumatique sur la chaussée à l'exploitation statistique de ses caractéristiques chimiques. L'acquisition de connaissances sur la composition et la fabrication de la bande de roulement des pneumatiques ainsi que la revue de techniques instrumentales utilisées pour l'analyse de matériaux polymériques ont permis de choisir, comme technique analytique pour la présente recherche, la pyrolyse couplée à un chromatographe en phase gazeuse avec un détecteur de spectrométrie de masse (Py-GC/MS). Une méthode analytique a été développée et optimisée afin d'obtenir la plus faible variabilité entre les réplicas d'un même échantillon. L'évaluation de l'intravariabilité de la bande de roulement a été entreprise dans sa largeur et sa circonférence à l'aide de plusieurs prélèvements effectués sur douze pneumatiques de marques et/ou modèles différents. La variabilité au sein de chacune des bandes de roulement (intravariabilité) ainsi qu'entre les bandes de roulement considérées (intervariabilité) a pu être quantifiée. Les différentes méthodes statistiques appliquées ont montré que l'intravariabilité est plus faible que l'intervariabilité, ce qui a permis de différencier ces pneumatiques. Dix traces de pneumatiques ont été produites à l'aide de pneumatiques de marques et/ou modèles différents en effectuant des tests de freinage. Ces traces ont pu être adéquatement prélevées à l'aide de feuilles de gélatine. Des particules de chaque trace ont été analysées selon la même méthodologie que pour les pneumatiques à leur origine. Le profil chimique général d'une trace de pneumatique ou d'un pneumatique a été caractérisé à l'aide de huitante-six composés. Sur la base de la comparaison statistique des profils chimiques obtenus, il a pu être montré qu'une trace de pneumatique n'est pas différenciable du pneumatique à son origine mais est, généralement, différenciable des pneumatiques qui ne sont pas à son origine. Par la suite, un échantillonnage comprenant soixante pneumatiques a été analysé afin d'évaluer le potentiel de discrimination de la méthodologie développée. Les méthodes statistiques appliquées ont mis en évidence que des pneumatiques de marques et modèles différents sont, majoritairement, différenciables entre eux. La méthodologie développée présente ainsi un bon potentiel de discrimination. Toutefois, des pneumatiques de la même marque et du même modèle qui présentent des caractéristiques PTD (i.e. pays de fabrication, taille et numéro DOT) identiques ne sont pas différenciables. Un modèle d'évaluation, basé sur une approche dite du likelihood ratio, a été adopté pour apporter une signification au résultat des comparaisons entre les profils chimiques des traces et des pneumatiques. La méthodologie mise en place a finalement été testée à l'aveugle à l'aide de la simulation de trois scénarios. Chaque scénario impliquait une trace de pneumatique inconnue et deux pneumatiques suspectés d'être à l'origine de cette trace. Les résultats corrects obtenus pour les trois scénarios ont permis de valider la méthodologie développée. Les différentes étapes de ce travail ont permis d'acquérir les informations nécessaires au test et à la validation de l'hypothèse fondamentale selon laquelle il est possible d'aider à déterminer si un pneumatique incriminé est ou n'est pas à l'origine d'une trace, par le biais d'une comparaison statistique de leur profil chimique. Cette aide a été formalisée par une mesure de la force probante de l'indice, qui est représenté par le profil chimique de la trace de pneumatique.

Force-induced globule-coil transition in laminin binding protein and its role for viral-cell membrane fusion.

The specific interactions of the pairs laminin binding protein (LBP)-purified tick-borne encephalitis viral surface protein E and certain recombinant fragments of this protein, as well as West Nile viral surface protein E and certain recombinant fragments of that protein, are studied by combined methods of single-molecule dynamic force spectroscopy (SMDFS), enzyme immunoassay and optical surface waves-based biosensor measurements. The experiments were performed at neutral pH (7.4) and acid pH (5.3) conditions. The data obtained confirm the role of LBP as a cell receptor for two typical viral species of the Flavivirus genus. A comparison of these data with similar data obtained for another cell receptor of this family, namely human αVβ3 integrin, reveals that both these receptors are very important. Studying the specific interaction between the cell receptors in question and specially prepared monoclonal antibodies against them, we could show that both interaction sites involved in the process of virus-cell interaction remain intact at pH 5.3. At the same time, for these acid conditions characteristic for an endosome during flavivirus-cell membrane fusion, SMDFS data reveal the existence of a force-induced (effective already for forces as small as 30-70 pN) sharp globule-coil transition for LBP and LBP-fragments of protein E complexes. We argue that this conformational transformation, being an analog of abrupt first-order phase transition and having similarity with the famous Rayleigh hydrodynamic instability, might be indispensable for the flavivirus-cell membrane fusion process. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.

Use of terrestrial laser scanning for the characterization of retrogressive landslides in sensitive clay and rotational landslides in river banks

Depuis plus de 10 ans les modèles numériques d'altitude (MNA) produits par technologie de « light detection and ranging » (« LIDAR ») ont fourni de nouveaux outils très utiles pour des études géomorphologiques, particulièrement dans le cas des glissements de terrain. Le balayage laser terrestre (« TLS ») permet une utilisation très souple. Le TLS peut être employé pour la surveillance ou dans des situations d'urgence qui nécessitent une acquisition rapide d'un MNA afin d'évaluer l'aléa. Au travers de trois exemples, nous démontrons l'utilité du TLS pour la quantification de volumes de glissements de terrain, la création de profils et l'analyse de séries temporelles. Ces études de cas sont des glissements de terrain situés dans les argiles sensibles de l'est du Canada (Québec, Canada) ou de petits glissements rotationnels dans les berges d'une rivière (Suisse).

Task force IV: Clinical use of ambulatory blood pressure monitoring. Participants of the 1999 Consensus Conference on Ambulatory Blood Pressure Monitoring

OBJECTIVE: To reach a consensus on the clinical use of ambulatory blood pressure monitoring (ABPM). METHODS: A task force on the clinical use of ABPM wrote this overview in preparation for the Seventh International Consensus Conference (23-25 September 1999, Leuven, Belgium). This article was amended to account for opinions aired at the conference and to reflect the common ground reached in the discussions. POINTS OF CONSENSUS: The Riva Rocci/Korotkoff technique, although it is prone to error, is easy and cheap to perform and remains worldwide the standard procedure for measuring blood pressure. ABPM should be performed only with properly validated devices as an accessory to conventional measurement of blood pressure. Ambulatory recording of blood pressure requires considerable investment in equipment and training and its use for screening purposes cannot be recommended. ABPM is most useful for identifying patients with white-coat hypertension (WCH), also known as isolated clinic hypertension, which is arbitrarily defined as a clinic blood pressure of more than 140 mmHg systolic or 90 mmHg diastolic in a patient with daytime ambulatory blood pressure below 135 mmHg systolic and 85 mmHg diastolic. Some experts consider a daytime blood pressure below 130 mmHg systolic and 80 mmHg diastolic optimal. Whether WCH predisposes subjects to sustained hypertension remains debated. However, outcome is better correlated to the ambulatory blood pressure than it is to the conventional blood pressure. Antihypertensive drugs lower the clinic blood pressure in patients with WCH but not the ambulatory blood pressure, and also do not improve prognosis. Nevertheless, WCH should not be left unattended. If no previous cardiovascular complications are present, treatment could be limited to follow-up and hygienic measures, which should also account for risk factors other than hypertension. ABPM is superior to conventional measurement of blood pressure not only for selecting patients for antihypertensive drug treatment but also for assessing the effects both of non-pharmacological and of pharmacological therapy. The ambulatory blood pressure should be reduced by treatment to below the thresholds applied for diagnosing sustained hypertension. ABPM makes the diagnosis and treatment of nocturnal hypertension possible and is especially indicated for patients with borderline hypertension, the elderly, pregnant women, patients with treatment-resistant hypertension and patients with symptoms suggestive of hypotension. In centres with sufficient financial resources, ABPM could become part of the routine assessment of patients with clinic hypertension. For patients with WCH, it should be repeated at annual or 6-monthly intervals. Variation of blood pressure throughout the day can be monitored only by ABPM, but several advantages of the latter technique can also be obtained by self-measurement of blood pressure, a less expensive method that is probably better suited to primary practice and use in developing countries. CONCLUSIONS: ABPM or equivalent methods for tracing the white-coat effect should become part of the routine diagnostic and therapeutic procedures applied to treated and untreated patients with elevated clinic blood pressures. Results of long-term outcome trials should better establish the advantage of further integrating ABPM as an accessory to conventional sphygmomanometry into the routine care of hypertensive patients and should provide more definite information on the long-term cost-effectiveness. Because such trials are not likely to be funded by the pharmaceutical industry, governments and health insurance companies should take responsibility in this regard.

Laser scanning-based recognition of rotational movements on a deep seated gravitational instability: The Cinque Torri case (North-Eastern Italian Alps)

The Cinque Torri group (Cortina d'Ampezzo, Italy) is an articulated system of unstable carbonatic rock monoliths located in a very important tourism area and therefore characterized by a significant risk. The instability phenomena involved represent an example of lateral spreading developed over a larger deep seated gravitational slope deformation (DSGSD) area. After the recent fall of a monolith of more than 10 000 m3, a scientific study was initiated to monitor the more unstable sectors and to characterize the past movements as a fundamental tool for predicting future movements and hazard assessment. To achieve greater insight on the ongoing lateral spreading process, a method for a quantitative analysis of rotational movements associated with the lateral spreading has been developed, applied and validated. The method is based on: i) detailed geometrical characterization of the area by means of laser scanner techniques; ii) recognition of the discontinuity sets and definition of a reference frame for each set, iii) correlation between the obtained reference frames related to a specific sector and a stable external reference frame, and iv) determination of the 3D rotations in terms of Euler angles to describe the present settlement of the Cinque Torri system with respect to the surrounding stable areas. In this way, significant information on the processes involved in the fragmentation and spreading of a former dolomitic plateau into different rock cliffs has been gained. The method is suitable to be applied to similar case studies.