Properties of molecules in tunnel junctions

Molecular tunnel junctions involve studying the behaviour of a single molecule sandwiched between metal leads. When a molecule makes contact with electrodes, it becomes open to the environment which can heavily influence its properties, such as electronegativity and electron transport. While the most common computational approaches remain to be single particle approximations, in this thesis it is shown that a more explicit treatment of electron interactions can be required. By studying an open atomic chain junction, it is found that including electron correlations corrects the strong lead-molecule interaction seen by the ΔSCF approximation, and has an impact on junction I − V properties. The need for an accurate description of electronegativity is highlighted by studying a correlated model of hexatriene-di-thiol with a systematically varied correlation parameter and comparing the results to various electronic structure treatments. The results indicating an overestimation of the band gap and underestimation of charge transfer in the Hartree-Fock regime is equivalent to not treating electron-electron correlations. While in the opposite limit, over-compensating for electron-electron interaction leads to underestimated band gap and too high an electron current as seen in DFT/LDA treatment. It is emphasised in this thesis that correcting electronegativity is equivalent to maximising the overlap of the approximate density matrix to the exact reduced density matrix found at the exact many-body solution. In this work, the complex absorbing potential (CAP) formalism which allows for the inclusion metal electrodes into explicit wavefunction many-body formalisms is further developed. The CAP methodology is applied to study the electron state lifetimes and shifts as the junction is made open.

High-coverage sequencing and annotated assemblies of the budgerigar genome.

BACKGROUND: Parrots belong to a group of behaviorally advanced vertebrates and have an advanced ability of vocal learning relative to other vocal-learning birds. They can imitate human speech, synchronize their body movements to a rhythmic beat, and understand complex concepts of referential meaning to sounds. However, little is known about the genetics of these traits. Elucidating the genetic bases would require whole genome sequencing and a robust assembly of a parrot genome. FINDINGS: We present a genomic resource for the budgerigar, an Australian Parakeet (Melopsittacus undulatus) -- the most widely studied parrot species in neuroscience and behavior. We present genomic sequence data that includes over 300× raw read coverage from multiple sequencing technologies and chromosome optical maps from a single male animal. The reads and optical maps were used to create three hybrid assemblies representing some of the largest genomic scaffolds to date for a bird; two of which were annotated based on similarities to reference sets of non-redundant human, zebra finch and chicken proteins, and budgerigar transcriptome sequence assemblies. The sequence reads for this project were in part generated and used for both the Assemblathon 2 competition and the first de novo assembly of a giga-scale vertebrate genome utilizing PacBio single-molecule sequencing. CONCLUSIONS: Across several quality metrics, these budgerigar assemblies are comparable to or better than the chicken and zebra finch genome assemblies built from traditional Sanger sequencing reads, and are sufficient to analyze regions that are difficult to sequence and assemble, including those not yet assembled in prior bird genomes, and promoter regions of genes differentially regulated in vocal learning brain regions. This work provides valuable data and material for genome technology development and for investigating the genomics of complex behavioral traits.

Solvation Structure and Transport of Acidic Protons in Ionic Liquids: A First-principles Simulation Study

Ab initio simulations of a single molecule of HCl in liquid dimethyl imidazolium chloride [dmim][Cl] show that the acidic proton exists as a symmetric, linear ClHCl- species. Details of the solvation structure around this molecule are given. The proton-transfer process was investigated by applying a force along the antisymmetric stretch coordinate until the molecule broke. Changes in the free energy and local solvation structure during this process were investigated. In the reaction mechanism identified, a free chloride approaches the proton from the side. As the original ClHCl- distorts and the incoming chloride forms a new bond to the proton, one of the original chlorine atoms is expelled and a new linear molecule is formed.

Glucose solvation by the ionic liquid 1,3-dimethylimidazolium chloride: A simulation study

Simulations of beta-glucose in the ionic liquid 1,3-dimethylimidazoliurn chloride have been performed in order to examine the solvation environment of the carbohydrate. Both single molecule and 1:5 glucose:ionic liquid (16.7 wt %) solutions are Studied, and the hydrogen bonding between sugar and solvent is examined. The primary solvation shell around the perimeter of the glucose ring consists predominantly of chloride anions which hydrogen bond to the hydroxyl groups. A small presence of the cation is also found, with the association Occurring through the weakly acidic hydrogen at the 2-position of the imidazolium ring interacting with the oxygen atoms of the sugar secondary hydroxyls. An average chloride coordination number of 4 is found around the glucose for both the single molecule and high concentration Simulations, despite the reduced chloride:glucose ratio in the latter case. In relation to the cation, the glucose molecules occupy positions above and below the plane of the imidazolium ring. Importantly, even at high glucose concentrations, no significant change in the anion-cation interactions and overall liquid structure of the ionic liquid is found, indicating that the glucose is readily accommodated by the solvent at this concentration. Dominant contributions to the sugar-ionic liquid interaction energy come from favorable hydrogen bonding (electrostatic) interactions between hydroxyls and chlorides, although a small favorable van der Waals energy contribution is also seen between the sugar and cations suggesting that the cation could be tailored in order to further improve the dissolution of glucose/cellulose in ionic liquid systems.

Dressing Plasmons in Particle-in-Cavity Architectures

Placing metallic nanoparticles inside cavities, rather than in dimers, greatly improves their plasmonic response. Such particle-in-cavity (PIC) hybrid architectures are shown to produce extremely strong field enhancement at the particle cavity junctions, arising from the cascaded focusing of large optical cross sections into small gaps. These simply constructed PIC structures produce the strongest field enhancement for coupled nanoparticles, up to 90% stronger than for a dimer. The coupling is found to follow a universal power law with particle surface separation, both for field enhancements and resonant wavelength shifts. Significantly enhanced Raman signals are experimentally observed for molecules adsorbed in such PIC structures, in quantitive agreement with theoretical calculations. PIC architectures may have important implications in many applications, such as reliable single molecule sensing and light harvesting in plasmonic photovoltaic devices.

Probing confinement resonances by photoionizing Xe inside a C60+ molecular cage

Double photoionization accompanied by loss of n C atoms (n=0, 2, 4, 6) was investigated by merging beams of Xe@C60+ ions and synchrotron radiation and measuring the yields of product ions. The giant 4d dipole resonance of the caged Xe atom has a prominent signature in the cross section for these product channels, which together account for 6.2 ± 1.4 of the total Xe 4d oscillator strength of 10. Compared to that for a free Xe atom, the oscillator strength is redistributed in photon energy due to multipath interference of outgoing Xe 4d photoelectron waves that may be transmitted or reflected by the spherical C60+ molecular cage, yielding so-called confinement resonances. The data are compared with an earlier measurement and with theoretical predictions for this single-molecule photoelectron interferometer system. Relativistic R-matrix calculations for the Xe atom in a spherical potential shell representing the fullerene cage show the sensitivity of the interference pattern to the molecular geometry. © 2013 American Physical Society.

Thick-microstructures for MPGDs: simulations and experimental studies

Cherenkov Imaging counters require large photosensitive areas, capable of single photon detection, operating at stable high gains under radioactive backgrounds while standing high rates, providing a fast response and a good time resolution, and being insensitive to magnetic fields. The development of photon detectors based in Micro Pattern Gaseous detectors (MPGDs), represent a new generation of gaseous photon detectors. In particular, gaseous detectors based on stacked Thick-Gaseous Electron Multipliers (THGEMs), or THGEM based structures, coupled to a CsI photoconverter coating, seem to fulfil the requirements imposed by Cherenkov imaging counters. This work focus on the study of the THGEM-based detectors response as function of its geometrical parameters and applied voltages and electric fields, aiming a future upgrade of the Cherenkov Imaging counter RICH-1 of the COMPASS experiment at CERN SPS. Further studies to decrease the fraction of ions that reach the photocathode (Ion Back Flow – IBF) to minimize the ageing and maximize the photoelectron extraction are performed. Experimental studies are complemented with simulation results, also perfomed in this work.

Investigation of structural effects on the reactivity of heterocyclic bioactive compounds

Tese de dout., Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2008

Taking nanomedicine teaching into practice with atomic force microscopy and force spectroscopy

© 2015 The American Physiological Society

Global methylation state at base-pair resolution of the Caulobacter genome throughout the cell cycle.

The Caulobacter DNA methyltransferase CcrM is one of five master cell-cycle regulators. CcrM is transiently present near the end of DNA replication when it rapidly methylates the adenine in hemimethylated GANTC sequences. The timing of transcription of two master regulator genes and two cell division genes is controlled by the methylation state of GANTC sites in their promoters. To explore the global extent of this regulatory mechanism, we determined the methylation state of the entire chromosome at every base pair at five time points in the cell cycle using single-molecule, real-time sequencing. The methylation state of 4,515 GANTC sites, preferentially positioned in intergenic regions, changed progressively from full to hemimethylation as the replication forks advanced. However, 27 GANTC sites remained unmethylated throughout the cell cycle, suggesting that these protected sites could participate in epigenetic regulatory functions. An analysis of the time of activation of every cell-cycle regulatory transcription start site, coupled to both the position of a GANTC site in their promoter regions and the time in the cell cycle when the GANTC site transitions from full to hemimethylation, allowed the identification of 59 genes as candidates for epigenetic regulation. In addition, we identified two previously unidentified N(6)-methyladenine motifs and showed that they maintained a constant methylation state throughout the cell cycle. The cognate methyltransferase was identified for one of these motifs as well as for one of two 5-methylcytosine motifs.

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.