Polynuclear Ni(II) Complexes with Schiff Bases as Bridging Ligands: A Molecular Approach to Nanoscience

The initial employment of N-salicylidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (sacbH2) as bridging/chelating ligand in metal cluster chemistry has provided access to five new polynuclear NiII complexes with large nuclearities, unprecedented metal core topologies, and interesting magnetic properties. The obtained results are presented in two projects. The first project includes the investigation of the general Ni2+/RCO2-/sacbH2 reaction system (where R- = CH3-, But-, ButCH2-) in which the nature of the carboxylic acid was found to be of crucial importance, affecting enormously the nuclearity of the resulting complexes. The second project deals with the study of the general Ni2+/X-/sacbH2 reaction system (where X- = inorganic anions) under basic conditions, yielding new cluster compounds with molecular chain-like structures and ferromagnetic exchange interactions between the metal centers.

Étude du couplage entre les sous-unités du canal potassique KcsA par des mesures de spectroscopie de fluorescence en canal unitaire

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Investigation of the structure and dynamics of the centromeric epigenetic mark

Le centromère est le site chromosomal où le kinetochore se forme, afin d’assurer une ségrégation fidèles des chromosomes et ainsi maintenir la ploïdie appropriée lors de la mitose. L’identité du centromere est héritée par un mécanisme épigénétique impliquant une variante de l’histone H3 nommée centromere protein-A (CENP-A), qui remplace l’histone H3 au niveau de la chromatine du centromère. Des erreurs de propagation de la chromatine du centromère peuvent mener à des problèmes de ségrégation des chromosomes, pouvant entraîner l’aneuploïdie, un phénomène fréquemment observé dans le cancer. De plus, une expression non-régulée de CENP-A a aussi été rapportée dans différentes tumeurs humaines. Ainsi, plusieurs études ont cherchées à élucider la structure et le rôle de la chromatine contenant CENP-A dans des cellules en prolifération. Toutefois, la nature moléculaire de CENP-A en tant que marqueur épigénétique ainsi que ces dynamiques à l'extérieur du cycle cellulaire demeurent des sujets débat. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de comptage de molécules uniques à l'aide de la microscopie à réflexion totale interne de la fluorescence (TIRF) sera décrite, puis exploitée afin d'élucider la composition moléculaire des nucléosomes contenant CENP-A, extraits de cellules en prolifération. Nous démontrons que les nucléosomes contenant CENP-A marquent les centromères humains de façon épigénétique à travers le cycle cellulaire. De plus, nos données démontrent que la forme prénucléosomale de CENP-A, en association avec la protéine chaperon HJURP existe sous forme de monomère et de dimère, ce qui reflète une étape intermédiaire de l'assemblage de nucléosomes contenant CENP-A. Ensuite, des analyses quantitatives de centromères lors de différenciation myogénique, et dans différents tissus adultes révèlent des changements globaux qui maintiennent la marque épigénétique dans une forme inactive suite à la différentiation terminale. Ces changements incluent une réduction du nombre de points focaux de CENP-A, un réarrangement des points dans le noyau, ainsi qu'une réduction importante de la quantité de CENP-A. De plus, nous démontrons que lorsqu'une dédifférenciation cellulaire est induite puis le cycle cellulaire ré-entamé, le phénotype "différencié" décrit ci-haut est récupéré, et les centromères reprennent leur phénotype "prolifératif". En somme, cet oeuvre décrit la composition structurale sous-jacente à l'identité épigénétique des centromères de cellules humaines lors du cycle cellulaire, et met en lumière le rôle de CENP-A à l'extérieur du cycle cellulaire.

Études de l’effet tunnel des spins quantiques macroscopiques

Dans cette thèse, nous présentons quelques analyses théoriques récentes ainsi que des observations expérimentales de l’effet tunnel quantique macroscopique et des tran- sitions de phase classique-quantique dans le taux d’échappement des systèmes de spins élevés. Nous considérons les systèmes de spin biaxial et ferromagnétiques. Grâce à l’approche de l’intégral de chemin utilisant les états cohérents de spin exprimés dans le système de coordonnées, nous calculons l’interférence des phases quantiques et leur distribution énergétique. Nous présentons une exposition claire de l’effet tunnel dans les systèmes antiferromagnétiques en présence d’un couplage d’échange dimère et d’une anisotropie le long de l’axe de magnétisation aisé. Nous obtenons l’énergie et la fonc- tion d’onde de l’état fondamentale ainsi que le premier état excité pour les systèmes de spins entiers et demi-entiers impairs. Nos résultats sont confirmés par un calcul utilisant la théorie des perturbations à grand ordre et avec la méthode de l’intégral de chemin qui est indépendant du système de coordonnées. Nous présentons aussi une explica- tion claire de la méthode du potentiel effectif, qui nous laisse faire une application d’un système de spin quantique vers un problème de mécanique quantique d’une particule. Nous utilisons cette méthode pour analyser nos modèles, mais avec la contrainte d’un champ magnétique externe ajouté. La méthode nous permet de considérer les transitions classiques-quantique dans le taux d’échappement dans ces systèmes. Nous obtenons le diagramme de phases ainsi que les températures critiques du passage entre les deux régimes. Nous étendons notre analyse à une chaine de spins d’Heisenberg antiferro- magnétique avec une anisotropie le long d’un axe pour N sites, prenant des conditions frontière périodiques. Pour N paire, nous montrons que l’état fondamental est non- dégénéré et donné par la superposition des deux états de Néel. Pour N impair, l’état de Néel contient un soliton, et, car la position du soliton est indéterminée, l’état fondamen- tal est N fois dégénéré. Dans la limite perturbative pour l’interaction d’Heisenberg, les fluctuations quantiques lèvent la dégénérescence et les N états se réorganisent dans une bande. Nous montrons qu’à l’ordre 2s, où s est la valeur de chaque spin dans la théorie des perturbations dégénérées, la bande est formée. L’état fondamental est dégénéré pour s entier, mais deux fois dégénéré pour s un demi-entier impair, comme prévu par le théorème de Kramer

Dissection du processus d’export des ARNm nucléaires par des approches de molécules uniques chez Saccharomyces cerevisae

Enfermer le porteur de l’information génétique dans le noyau a obligée la cellule a créé un système de transport complexe, qui permet l’export d’un ARNm du noyau au cytoplasme. Le mécanisme général de l’export des ARNm est encore mal connu, même si les facteurs principaux ont été découverts il y a longtemps. De récents progrès en microscopie nous ont permis d’étudier directement le comportement des ARNm durant le processus d’export. Durant ma maitrise, nous avons été capables de localiser et suivre des ARNm en temps réel pour la première fois chez Saccharomyces cerevisiae. Nous avons créé un gène rapporteur en mettant le gène GLT1 sous le contrôle du promoteur GAL1. Nous avons aussi marqué l’ARNm de GLT1 avec plusieurs boucles PP7. L’ARNm sera visible après l’attachement de plusieurs protéines PP7-GFP aux boucles. En utilisant la technique d’imagerie en cellules vivantes, nous sommes capable de visualiser et suivre chaque ARNm, depuis son relâchement du site de transcription jusqu’à l’export. Une fois relâché du site de transcription, l’ARNm diffuse librement dans le nucléoplasme, mais une fois à la périphérie nucléaire, il commence à « scanner » l’enveloppe nucléaire avant d’être exporté. Nous avons trouvé que le « scanning » dépend de la présence des Myosin Like Proteins (Mlp1p et Mlp2p), protéines qui forment le panier nucléaire, car suite à la délétion de MLP1 et MLP2, les ARNm n’étaient plus capable de « scanner ». Nous avons également trouvé que la partie C-terminale de Mlp1p était nécessaire au « scanning ». De plus, suite à la délétion du gène TOM1, gène codant pour une ubiquitine ligase, les ARNm ont un comportement similaire aux ARNm d’une souche ∆mlp1/mlp2, suggérant que le « scanning » permet à Tom1p d’ubiquitiner Yra1p, ce qui causera son relâchement de l’ARNm. Également, nous avons montré que les ARNm endogènes MDN1 et CBL2 scannent aussi la périphérie nucléaire. Ensemble, nos résultats suggèrent que le scanning est un processus par lequel passent tout les ARNm nucléaire lorsqu’ils se retrouvent à la périphérie du noyau, pour initier plusieurs étapes de réarrangements nécessaires à leurs export. De plus, nous avons examiné le rôle de Yhr127p, une protéine nouvellement identifiée qui se lie à l’ARN. Après avoir marqué cette protéine avec la GFP, nous avons montré qu’elle forme des foci dans le noyau et que ces derniers vont disparaitre suite à l’arrêt de la transcription. La délétion de YHR127 à conduit à une augmentation de la transcription de quelques gènes spécifiques, mais n’affecte pas la capacité de la cellule à exporter les ARNm. Nos résultats suggèrent que cette protéine joue un rôle dans la régulation de la transcription et/ou dans la stabilité de l’ARNm.

Architectures radiales hétéro-poly-métalliques pour la photosynthèse artificielle et le stockage de l'information

Par une approche supramoléculaire, des architectures radiales hétéro-poly-métalliques ont été réalisées pour des applications en photosynthèse artificielle et en magnétisme moléculaire. Dans une première partie, la synthèse et la caractérisation (spectroscopie UV-vis, émission, électrochimique, DRX) de complexes de ruthénium(II), possédant une gamme de ligands polypyridines, ont été réalisées. Les calculs théoriques ont été effectués afin de soutenir l’interprétation des propriétés photophysiques. Ces complexes, présentant un certain nombre de pyridines externes, ont servi de cœur à des architectures à base de rhénium tris-carbonyles (pour les effets d’antenne), et de cobaloximes (pour les propriétés catalytiques). Les nucléarités obtenues varient de 2 à 7 selon le cœur utilisé. Ces systèmes ont été engagés dans des cycles de photo-production de dihydrogène, démontrant une meilleure efficacité que la référence du domaine, le [Ru(bpy)3]2+. La seconde partie concerne l’étude de couples de métaux de transition, construits à partir de briques polycyanométallates, ou de lanthanides pontés par des ligands oxamides. Ces approches « complexes comme ligand » puis « assemblages comme ligand » permettent d’obtenir des systèmes de haute nucléarité, présentant des propriétés de molécule-aimant ou des effets magnéto-caloriques (à base de CrNi, GdCu, DyCu). Des propriétés photomagnétiques ont été observées sur les couples RuCu et MoCu, pouvant servir de commutateurs moléculaires dans des systèmes complexes. Enfin, une structure hétéro-tétra-métallique trifonctionnelle a été obtenue contenant à la fois un commutateur MoCu, une entité molécule-aimant CuTb et un complexe de ruthénium.

Iron-regulated surface determinant protein a mediates adhesion of staphylococcus aureus to human corneocyte envelope proteins

The ability of Staphylococcus aureus to colonize the human nares is a crucial prerequisite for disease. IsdA is a major S. aureus surface protein that is expressed during human infection and required for nasal colonization and survival on human skin. In this work, we show that IsdA binds to involucrin, loricrin, and cytokeratin K10, proteins that are present in the cornified envelope of human desquamated epithelial cells. To measure the forces and dynamics of the interaction between IsdA and loricrin (the most abundant protein of the cornified envelope), single-molecule force spectroscopy was used, demonstrating high-specificity binding. IsdA acts as a cellular adhesin to the human ligands, promoting whole-cell binding to immobilized proteins, even in the absence of other S. aureus components (as shown by heterologous expression in Lactococcus lactis). Inhibition experiments revealed the binding of the human ligands to the same IsdA region. This region was mapped to the NEAT domain of IsdA. The NEAT domain also was found to be required for S. aureus whole-cell binding to the ligands as well as to human nasal cells. Thus, IsdA is an important adhesin to human ligands, which predominate in its primary ecological niche.

21-Deoxycortisone (17 alpha-hydroxy4-pregnene-3,11,20-trione)

The title compound, C21H28O4, a synthetic glucocorticoid, crystallizes with a single molecule in the asymmetric unit. Ring A is almost in a half-chair conformation, rings B and C are almost in chair conformations, and ring D is between a twist and a 13 beta-envelope conformation. The A/B ring junction is quasi-trans, whereas the B/C and C/D ring junctions both approach trans characteristics. The molecule as a whole is slightly convex towards the beta side, with an angle of 9.60 (2)degrees between the C10-C19 and C13-C18 vectors. Molecular-packing and hydrogen-bonding (both intra- and inter-molecular) interactions play a major role in the structural association of the compound.

Structure and magnetic properties of an unprecedented syn-antiμ-nitrito-1κO:2κO′ bridged Mn(iii)-salen complex and its isoelectronic and isostructural formate analogue

The preparation, crystal structures and magnetic properties of two new isoelectronic and isomorphous formate-and nitrite-bridged 1D chains of Mn(III)-salen complexes, [Mn(salen)(HCOO)](n) (1) and [Mn(salen)(NO2)](n) (2), where salen is the dianion of N,N'-bis(salicylidene)-1,2-diaminoethane, are presented. The structures show that the salen ligand coordinates to the four equatorial sites of the metal ion and the formate or nitrite ions coordinate to the axial positions to bridge the Mn(III)-salen units through a syn-anti mu-1 kappa O:2 kappa O' coordination mode. Such a bridging mode is unprecedented in Mn(III) for formate and in any transition metal ion for nitrite. Variable-temperature magnetic susceptibility measurements of complexes 1 and 2 indicate the presence of ferromagnetic exchange interactions with J values of 0.0607 cm(-1) (for 1) and 0.0883 cm(-1) (for 2). The ac measurements indicate negligible frequency dependence for 1 whereas compound 2 exhibits a decrease of chi(ac)' and a concomitant increase of chi(ac)'' on elevating frequency around 2 K. This finding is an indication of slow magnetization reversal characteristic of single-chain magnets or spin-glasses. The mu-nitrito-1 kappa O:2 kappa O' bridge seems to be a potentially superior magnetic coupler to the formate bridge for the construction of single-molecule/-chain magnets as its coupling constant is greater and the chi(ac)' and chi(ac)'' show frequency dependence.

TNF-α influences the lateral dynamics of TNF receptor I in living cells

In mammalian cells, inflammation is mainly mediated by the binding of tumor necrosis factor alpha to tumor necrosis factor receptor 1. In this study, we investigated lateral dynamics of TNF-R1 before and after ligand binding using high-density single-particle tracking in combination with photoactivated localization microscopy. Our single-molecule data indicates the presence of tumor necrosis factor receptor 1 with different mobilities in the plasma membrane, suggesting different molecular organizations. Cholesterol depletion led to a decrease of slow receptor species and a strong increase in the average diffusion coefficient. Moreover, as a consequence of tumor necrosis factor-alpha treatment, the mean diffusion coefficient moderately increased while its distribution narrowed. Based on our observation, we propose a refined mechanism on the structural arrangement and activation of tumor necrosis factor receptor 1 in the plasma membrane.

Ab Initio Calculations of Structural Evolution and Conductance of Benzene-1,4-dithiol on Gold Leads

By performing at) initio density functional theory (DFT) calculations and electronic transport simulations based on the OFT nonequilibrium Green`s functions method we investigate how the conformational changes of a benzene-1,4-dithiol molecule bonded to gold affect the molecular transport as the electrodes are separated from each other. In particular we consider the full evolution of the stretching process until the Junction breaking point and compare results obtained with a standard semilocal exchange and correlation functional to those computed with a self-interaction corrected method. We conclude that the inclusion of self-interaction corrections is fundamental for describing both the molecule conductance and its stability against conformational fluctuations.

De-aggregation of polyfluorene derivative by blending with a series of poly(alkyl methacrylate)s with varying sidegroup sizes

A polyfluorene derivative of the PPV, poly(9,9`-n-dihexyl-2,7-fluorenedilvinylene-alt-1,4-phenylenevinylene), with a strong tendency to aggregation was blended with several members of a series composed by poly(alkyl methacrylate)s with the following substituents in the ester position: methyl, ethyl, isopropyl, isobutyl, n-butyl, and cyclohexyl. The de-aggregation effect in blends was studied by steady-state photoluminescence spectroscopy using several blend compositions. The efficiency of each dispersing phase was discussed in terms of the polymer miscibility, controlled by interaction parameters between the polyfluorene and every poly(alkyl methacrylate)s, here described using Hilde-brand solubility parameters. (c) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Only subtle protein conformational adaptations are required for ligand binding to thyroid hormone receptors: Simulations using a novel multipoint steered molecular dynamics approach

Thyroid hormone receptors (TR) are hormone-dependent transcription regulators that play a major role in human health, development, and metabolic functions. The thyroid hormone resistance syndrome, diabetes, obesity, and some types of cancer are just a few examples of important diseases that are related to TR malfunctioning, particularly impaired hormone binding. Ligand binding to and dissociation from the receptor ultimately control gene transcription and, thus, detailed knowledge of binding and release mechanisms are fundamental for the comprehension of the receptor`s biological function and development of pharmaceuticals. In this work, we present the first computational study of ligand entry into the ligand binding domain (LBD) of a nuclear receptor. We report molecular dynamics simulations of ligand binding to TRs using a generalization of the steered molecular dynamics technique designed to perform single-molecule pulling simulations along arbitrarily nonlinear driving pathways. We show that only gentle protein movements and conformational adaptations are required for ligand entry into the LBDs and that the magnitude of the forces applied to assist ligand binding are of the order of the forces involved in ligand dissociation. Our simulations suggest an alternative view for the mechanisms ligand binding and dissociation of ligands from nuclear receptors in which ligands can simply diffuse through the protein surface to reach proper positioning within the binding pocket. The proposed picture indicates that the large-amplitude protein motions suggested by the apo- and holo-RXR alpha crystallographic structures are not required, reconciling conformational changes of LBDs required for ligand entry with other nuclear receptors apo-structures that resemble the ligand-bound LBDs.

Fluctuations of the Stokes and anti-Stokes surface-enhanced resonance Raman scattering intensities in an electrochemical environment

Stokes and anti-Stokes SERRS intensity fluctuations were observed from a roughened silver electrode immersed in diluted solutions of Brilliant Green (BG), a behaviour linked to single-molecule events. The distributions of the anti-Stokes to Stokes ratios were obtained and their shape showed a strong dependence on the applied potential.