Structural flexibility and oxygen diffusion pathways in monomeric fluorescent proteins

Fluorescent proteins are valuable tools as biochemical markers for studying cellular processes. Red fluorescent proteins (RFPs) are highly desirable for in vivo applications because they absorb and emit light in the red region of the spectrum where cellular autofluorescence is low. The naturally occurring fluorescent proteins with emission peaks in this region of the spectrum occur in dimeric or tetrameric forms. The development of mutant monomeric variants of RFPs has resulted in several novel FPs known as mFruits. Though oxygen is required for maturation of the chromophore, it is known that photobleaching of FPs is oxygen sensitive, and oxygen-free conditions result in improved photostabilities. Therefore, understanding oxygen diffusion pathways in FPs is important for both photostabilites and maturation of the chromophores. We used molecular dynamics calculations to investigate the protein barrel fluctuations in mCherry, which is one of the most useful monomeric mFruit variants, and its GFP homolog citrine. We employed implicit ligand sampling and locally enhanced sampling to determine oxygen pathways from the bulk solvent into the mCherry chromophore in the interior of the protein. The pathway contains several oxygen hosting pockets, which were identified by the amino acid residues that form the pocket. We calculated the free-energy of an oxygen molecule at points along the path. We also investigated an RFP variant known to be significantly less photostable than mCherry and find much easier oxygen access in this variant. We showed that oxygen pathways can be blocked or altered, and barrel fluctuations can be reduced by strategic amino acid substitutions. The results provide a better understanding of the mechanism of molecular oxygen access into the fully folded mCherry protein barrel and provide insight into the photobleaching process in these proteins.

Characterizations of the Major Coral Diseases of the Philippines: Ulcerative White Spot Disease and Novel Growth Anomalies of Porites

Coral reefs are in decline worldwide and coral disease is a significant contributing factor. However, etiologies of coral diseases are still not well understood. In contrast with the Caribbean, extremely little is known about coral diseases in the Philippines. In 2005, off Southeast Negros Island, Philippines, I investigated relationships between environmental parameters and prevalence of the two most common coral diseases, ulcerative white spot (UWS) and massive Porites growth anomalies (MPGAs). Samples were collected along a disease prevalence gradient 40.5 km long. Principal component analyses showed prevalence of MPGAs was positively correlated with water column nitrogen, organic carbon of surface sediments, and colony density. UWS was positively correlated with water column phosphorus. This is the first quantitative evidence linking anthropogenically-impacted water and sediment to a higher prevalence of these diseases. Histological and cytological alterations were investigated by comparing tissues from two distinct types of MPGA lesions (types 1 and 2) and healthy coral using light and electron microscopy. Skeletal abnormalities and sloughing, swelling, thinning, and loss of tissues in MPGAs resembled tissues exposed to bacterial or fungal toxins. Both lesion types had decreases in symbiotic zooxanthellae, which supply nutrients to corals. Notable alterations included migrations of chromophore cells (amoebocytes) (1) nocturnally to outer epithelia to perform wound-healing, including plugging gaps and secreting melanin in degraded tissues, and (2) diurnally to the interior of the tissue possibly to prevent shading zooxanthellae in order to maximize photosynthate production. Depletion of melanin (active in wound healing) in type 2 lesions suggested type 2 tissues were overtaxed and less stable. MPGAs contained an abundance of endolithic fungi and virus-like particles, which may result from higher nutrient levels and play roles in disease development. Swollen cells and mucus frequently blocked gastrovascular canals (GVCs) in MPGAs. Type 1 lesions appeared to compensate for impeded flow of wastes and nutrients through these canals with proliferation of new GVCs, which were responsible for the observed thickened tissues. In contrast, type 2 tissues were thin and more degraded. Dysplasia and putative neoplasia were also observed in MPGAs which may result from the tissue regeneration capacity being overwhelmed.

Simulation numérique des instabilités magnétohydrodynamiques dans les cuves de production de l'aluminium

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Multiscale photoacoustic tomography using reversibly switchable bacterial phytochrome as a near-infrared photochromic probe.

Photoacoustic tomography (PAT) of genetically encoded probes allows for imaging of targeted biological processes deep in tissues with high spatial resolution; however, high background signals from blood can limit the achievable detection sensitivity. Here we describe a reversibly switchable nonfluorescent bacterial phytochrome for use in multiscale photoacoustic imaging, BphP1, with the most red-shifted absorption among genetically encoded probes. BphP1 binds a heme-derived biliverdin chromophore and is reversibly photoconvertible between red and near-infrared light-absorption states. We combined single-wavelength PAT with efficient BphP1 photoswitching, which enabled differential imaging with substantially decreased background signals, enhanced detection sensitivity, increased penetration depth and improved spatial resolution. We monitored tumor growth and metastasis with ∼ 100-μm resolution at depths approaching 10 mm using photoacoustic computed tomography, and we imaged individual cancer cells with a suboptical-diffraction resolution of ∼ 140 nm using photoacoustic microscopy. This technology is promising for biomedical studies at several scales.

Resonance Energy Transfer-Based Molecular Switch Designed Using a Systematic Design Process Based on Monte Carlo Methods and Markov Chains

A RET network consists of a network of photo-active molecules called chromophores that can participate in inter-molecular energy transfer called resonance energy transfer (RET). RET networks are used in a variety of applications including cryptographic devices, storage systems, light harvesting complexes, biological sensors, and molecular rulers. In this dissertation, we focus on creating a RET device called closed-diffusive exciton valve (C-DEV) in which the input to output transfer function is controlled by an external energy source, similar to a semiconductor transistor like the MOSFET. Due to their biocompatibility, molecular devices like the C-DEVs can be used to introduce computing power in biological, organic, and aqueous environments such as living cells. Furthermore, the underlying physics in RET devices are stochastic in nature, making them suitable for stochastic computing in which true random distribution generation is critical.

In order to determine a valid configuration of chromophores for the C-DEV, we developed a systematic process based on user-guided design space pruning techniques and built-in simulation tools. We show that our C-DEV is 15x better than C-DEVs designed using ad hoc methods that rely on limited data from prior experiments. We also show ways in which the C-DEV can be improved further and how different varieties of C-DEVs can be combined to form more complex logic circuits. Moreover, the systematic design process can be used to search for valid chromophore network configurations for a variety of RET applications.

We also describe a feasibility study for a technique used to control the orientation of chromophores attached to DNA. Being able to control the orientation can expand the design space for RET networks because it provides another parameter to tune their collective behavior. While results showed limited control over orientation, the analysis required the development of a mathematical model that can be used to determine the distribution of dipoles in a given sample of chromophore constructs. The model can be used to evaluate the feasibility of other potential orientation control techniques.

A Molecular-scale Programmable Stochastic Process Based On Resonance Energy Transfer Networks: Modeling And Applications

While molecular and cellular processes are often modeled as stochastic processes, such as Brownian motion, chemical reaction networks and gene regulatory networks, there are few attempts to program a molecular-scale process to physically implement stochastic processes. DNA has been used as a substrate for programming molecular interactions, but its applications are restricted to deterministic functions and unfavorable properties such as slow processing, thermal annealing, aqueous solvents and difficult readout limit them to proof-of-concept purposes. To date, whether there exists a molecular process that can be programmed to implement stochastic processes for practical applications remains unknown.

In this dissertation, a fully specified Resonance Energy Transfer (RET) network between chromophores is accurately fabricated via DNA self-assembly, and the exciton dynamics in the RET network physically implement a stochastic process, specifically a continuous-time Markov chain (CTMC), which has a direct mapping to the physical geometry of the chromophore network. Excited by a light source, a RET network generates random samples in the temporal domain in the form of fluorescence photons which can be detected by a photon detector. The intrinsic sampling distribution of a RET network is derived as a phase-type distribution configured by its CTMC model. The conclusion is that the exciton dynamics in a RET network implement a general and important class of stochastic processes that can be directly and accurately programmed and used for practical applications of photonics and optoelectronics. Different approaches to using RET networks exist with vast potential applications. As an entropy source that can directly generate samples from virtually arbitrary distributions, RET networks can benefit applications that rely on generating random samples such as 1) fluorescent taggants and 2) stochastic computing.

By using RET networks between chromophores to implement fluorescent taggants with temporally coded signatures, the taggant design is not constrained by resolvable dyes and has a significantly larger coding capacity than spectrally or lifetime coded fluorescent taggants. Meanwhile, the taggant detection process becomes highly efficient, and the Maximum Likelihood Estimation (MLE) based taggant identification guarantees high accuracy even with only a few hundred detected photons.

Meanwhile, RET-based sampling units (RSU) can be constructed to accelerate probabilistic algorithms for wide applications in machine learning and data analytics. Because probabilistic algorithms often rely on iteratively sampling from parameterized distributions, they can be inefficient in practice on the deterministic hardware traditional computers use, especially for high-dimensional and complex problems. As an efficient universal sampling unit, the proposed RSU can be integrated into a processor / GPU as specialized functional units or organized as a discrete accelerator to bring substantial speedups and power savings.

Simulation numérique des instabilités magnétohydrodynamiques dans les cuves de production de l'aluminium

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

(Table 1) Characteristics of marine snow and ice samples at Barrow, Alaska

We measured light absorption in 42 marine snow, sea ice, seawater, brine, and frost flower samples collected during the OASIS field campaign between February 27 and April 15, 2009. Samples represented multiple sites between landfast ice and open pack ice in coastal areas approximately 5 km west of Barrow, Alaska. The chromophores that are most commonly measured in snow, H2O2, NO3-, and NO2-, on average account for less than 1% of sunlight absorption in our samples. Instead, light absorption is dominated by unidentified "residual" species, likely organic compounds. Light absorption coefficients for the frost flowers on first-year sea ice are, on average, 40 times larger than values for terrestrial snow samples at Barrow, suggesting very large rates of photochemical reactions in frost flowers. For our marine samples the calculated rates of sunlight absorption and OH production from known chromophores are (0.1-1.4) x 10**14 (photons/cm**3/s) and (5-70) x 10**-12 (mol/L/s), respectively. Our residual spectra are similar to spectra of marine chromophoric dissolved organic matter (CDOM), suggesting that CDOM is the dominant chromophore in our samples. Based on our light absorption measurements we estimate dissolved organic carbon (DOC) concentrations in Barrow seawater and frost flowers as approximately 130 and 360 µM C, respectively. We expect that CDOM is a major source of OH in our marine samples, and it is likely to have other significant photochemistry as well.

Coordination of phosphido-boratabenzene ligands to transition metals

Environ 90% des composés produits industriellement sont fabriqués à l’aide de catalyseurs. C’est pourquoi la conception de catalyseurs toujours plus performants pour améliorer les procédés industriels actuels est toujours d’intérêt. De la grande variété de complexes avec des métaux de transition rapportés jusqu’à présent, les complexes zwitterioniques attirent notre attention par leurs activités catalytiques souvent supérieures aux complexes cationiques normaux. Un complexe métallique zwitterionique est un fragment métal-ligand neutre où la charge positive est située sur le centre métallique et où la charge négative est délocalisée sur un des ligands liés au métal. Nous proposons la synthèse de ligands anioniques phosphine comportant des groupements borates et boratabenzènes. Cette dernière espèce est un cycle à 6 membres où l’un des atomes de carbone est remplacé par un atome de bore et qui est négativement chargé. La capacité de ces phosphines anioniques à se lier à un centre métallique à l’aide de la paire libre du phosphore est due à la nature du lien P-B qui défavorise l’interaction entre la paire libre du phosphore et l’orbitale p vide du bore. Les propriétés de di-tert-butylphosphido-boratabenzène (DTBB) comme ligand phosphine anionique hautement donneur et encombré ainsi que la découverte de ses modes de coordination inhabituels pour stabiliser les métaux de transition insaturés ont été étudiés au cours de ce travail. De nouvelles perspectives sur les modes de coordination de phosphido-boratabenzène et la force de l’interaction du lien P-B seront discutées ainsi que les applications catalytiques. Nous avons d’abord étudié la coordination η1 avec des complexes de fer, ce qui nous a fourni des données quantitatives précieuses sur la capacité du DTBB d’agir comme ligand très donneur par rapport aux autres ligands donneurs bien connus. La capacité du DTBB à changer de mode de coordination pour soutenir les besoins électroniques du métal a été démontrée par la découverte d’une nouvelle espèce ferrocenyl phosphido-boratabenzène et sa nucléophilie a été étudiée. Au meilleur de notre connaissance, aucun exemple d’un ligand boratabenzène coordonné aux métaux du groupe 11 n’existe dans la littérature. Voilà pourquoi nous avons décidé d’explorer les modes de coordination du ligand DTBB avec Cu(I), Ag(I) et Au(I). A notre grande surprise, le ligand DTBB est capable de stabiliser les métaux du groupe 11 aux états d’oxydation faibles par une liaison MP qui est une coordination du type η1, un mode de coordination guère observé pour les ligands boratabenzène. Pendant nos travaux, notre attention s’est tournée vers la synthèse d’un complexe de rhodium(I) afin de tester son utilité en catalyse. A notre grande satisfaction, le complexe Rh-DTBB agit comme un précatalyseur pour l’hydrogénation des alcènes et alcynes à la température ambiante et à pression atmosphérique et son activité est comparable à celle du catalyseur de Wilkinson. Dans un désir d’élargir les applications de notre recherche, notre attention se tourna vers l’utilisation des composés du bore autres que le boratabenzène. Nous avons décidé de synthétiser une nouvelle espèce phosphido-borate encombrée. Lorsqu’elle réagit avec des métaux, l’espèce phosphido-borate subit un clivage de la liaison P-B. Toutefois, cette observation met en évidence la singularité et les avantages de la stabilité de la liaison P-B lors de l’utilisation du fragment boratabenzène. Ces observations enrichissent notre compréhension des conditions dans lesquelles la liaison P-B du ligand DTBB peut être clivée. Ces travaux ont mené à la découverte d’un nouveau ligand ansa-boratabenzène avec une chimie de coordination prometteuse.

A bio-coke for anode production and the manufacturing method thereof

Dans l’industrie de l’aluminium, le coke de pétrole calciné est considéré comme étant le composant principal de l’anode. Une diminution dans la qualité du coke de pétrole a été observée suite à une augmentation de sa concentration en impuretés. Cela est très important pour les alumineries car ces impuretés, en plus d’avoir un effet réducteur sur la performance des anodes, contaminent le métal produit. Le coke de pétrole est aussi une source de carbone fossile et, durant sa consommation, lors du processus d’électrolyse, il y a production de CO2. Ce dernier est considéré comme un gaz à effet de serre et il est bien connu pour son rôle dans le réchauffement planétaire et aussi dans les changements climatiques. Le charbon de bois est disponible et est produit mondialement en grande quantité. Il pourrait être une alternative attrayante pour le coke de pétrole dans la fabrication des anodes de carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse pour la production de l’aluminium. Toutefois, puisqu’il ne répond pas aux critères de fabrication des anodes, son utilisation représente donc un grand défi. En effet, ses principaux désavantages connus sont sa grande porosité, sa structure désordonnée et son haut taux de minéraux. De plus, sa densité et sa conductivité électrique ont été rapportées comme étant inférieures à celles du coke de pétrole. L’objectif de ce travail est d’explorer l’effet du traitement de chaleur sur les propriétés du charbon de bois et cela, dans le but de trouver celles qui s’approchent le plus des spécifications requises pour la production des anodes. L’évolution de la structure du charbon de bois calciné à haute température a été suivie à l’aide de différentes techniques. La réduction de son contenu en minéraux a été obtenue suite à des traitements avec de l’acide chlorhydrique utilisé à différentes concentrations. Finalement, différentes combinaisons de ces deux traitements, calcination et lixiviation, ont été essayées dans le but de trouver les meilleures conditions de traitement.

Performance en fluage des assemblages antiglissement avec des surfaces métallisées dans les ponts en acier

Les éléments des ponts en acier sont exposés à de sévères conditions environnementales, tel l’épandage de sels déglaçant sur les routes. Ces éléments ont besoin d’un niveau suffisant de protection contre la corrosion afin de préserver leur intégrité à long terme. Une solution efficace, devenue populaire au Canada, est la métallisation. La métallisation est un revêtement anticorrosion formé par projection thermique de métal, généralement du zinc, sur la surface à protéger. La protection fournie au substrat d’acier est assurée par une barrière physique et une protection galvanique. Pour le calcul des assemblages boulonnés antiglissement, les codes de conception, tel le code Canadien sur le calcul des ponts routiers CAN/CSA S6-14, spécifient, en fonction des conditions des surfaces de contact désirées, un coefficient de glissement à utiliser. Actuellement, ces codes ne fournissent aucun coefficient de glissement entre deux surfaces métallisées. Donc, il est pratique courante pour les fabricants de ponts en acier de masquer les surfaces de contact des joints boulonnés avant de métalliser, ce qui est très couteux pour l’industrie puisque ce travail doit se faire manuellement. Récemment, des études ont évalué la résistance au glissement à court terme d’assemblages antiglissement ayant des surfaces de contact métallisées. Les résultats ont révélé une résistance au glissement supérieure aux assemblages sur acier nu grenaillés. Dans la présente recherche, la performance en fluage des assemblages antiglissement métallisés a été caractérisée pour s’assurer qu’une résistance en glissement de Classe B soit toujours valide à long terme. L’effet de la relaxation de la force de serrage sur la charge de glissement a aussi été évalué. Les résultats ont démontré une bonne performance en fluage. Aussi, les résultats ont révélé que la relaxation de la force de serrage n’a pas d’impact significatif sur la résistance au glissement des assemblages antiglissement métallisés. Les conclusions de cette étude pourraient bien influencer de futures révisions des codes de conception et avoir un impact sur l’industrie de l’acier en Amérique du Nord.Mots clés : Assemblage boulonné antiglissement, métallisation, pont routier en acier, fluage, relaxation

Nanostructured catalysts for the development of the hydrogen economy

La catalyse joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles telles que les industries pétrochimique et biochimique, ainsi que dans la production de polymères et pour la protection de l’environnement. La conception et la fabrication de catalyseurs efficaces et rentables est une étape importante pour résoudre un certain nombre de problèmes des nouvelles technologies de conversion chimique et de stockage de l’énergie. L’objectif de cette thèse est le développement de voies de synthèse efficaces et simples pour fabriquer des catalyseurs performants à base de métaux non nobles et d’examiner les aspects fondamentaux concernant la relation entre structure/composition et performance catalytique, notamment dans des processus liés à la production et au stockage de l’hydrogène. Dans un premier temps, une série d’oxydes métalliques mixtes (Cu/CeO2, CuFe/CeO2, CuCo/CeO2, CuFe2O4, NiFe2O4) nanostructurés et poreux ont été synthétisés grâce à une méthode améliorée de nanocasting. Les matériaux Cu/CeO2 obtenus, dont la composition et la structure poreuse peuvent être contrôlées, ont ensuite été testés pour l’oxydation préférentielle du CO dans un flux d’hydrogène dans le but d’obtenir un combustible hydrogène de haute pureté. Les catalyseurs synthétisés présentent une activité et une sélectivité élevées lors de l’oxydation sélective du CO en CO2. Concernant la question du stockage d’hydrogène, une voie de synthèse a été trouvée pour le composét mixte CuO-NiO, démontrant une excellente performance catalytique comparable aux catalyseurs à base de métaux nobles pour la production d’hydrogène à partir de l’ammoniaborane (aussi appelé borazane). L’activité catalytique du catalyseur étudié dans cette réaction est fortement influencée par la nature des précurseurs métalliques, la composition et la température de traitement thermique utilisées pour la préparation du catalyseur. Enfin, des catalyseurs de Cu-Ni supportés sur silice colloïdale ou sur des particules de carbone, ayant une composition et une taille variable, ont été synthétisés par un simple procédé d’imprégnation. Les catalyseurs supportés sur carbone sont stables et très actifs à la fois dans l’hydrolyse du borazane et la décomposition de l’hydrazine aqueuse pour la production d’hydrogène. Il a été démontré qu’un catalyseur optimal peut être obtenu par le contrôle de l’effet bi-métallique, l’interaction métal-support, et la taille des particules de métal.

Síntese e caracterização de espinélios a base de Cu, Fe e Cr para pigmentos cerâmicos

Inorganic pigment comprises a host lattice, which is part of the chromophore component (usually a transition metal cation) and possible components modifiers, which stabilize, add or restate the properties pigments. Among the materials with spinel, ferrites, and the chromite stand out, because they have broad technological importance in the area of materials, applicability, pigments, catalytic hydrogenation, thin film, ceramic tiles, among others. The present work, pigments containing CuFe2O4, CuCr2O4,e CuFeCrO4, were synthesized by a method that makes use of gelatin as organic precursor using their application to ceramic pigments. The pigments were characterized by X-ray diffraction (XRD), Infrared spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) spectroscopy in the UV-visible and Colorimetry. The results confirmed the feasibility of the synthetic route used, with respect to powders synthesized, there is the formation of spinel phase from 500°C, with an increase in crystallinity and the formation of other phases. The pigments were shown to be crystalline and the desired phases were obtained. The copper chromite have hues ranging from green to black according to the calcination temperature, while the copper chromite doped with iron had brownish. The ferrites showed copper color and darker brown to black, which may indicate an interesting factor because of the importance of black pigment

Definição dos mecanismos de polaridade celular durante a citocinese

Dissertação de Mestrado, Oncobiologia – Mecanismos Moleculares do Cancro, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

New indolium fluorofores for two-photon absortion (2PA) bioimaging applications

The development of organic materials with 2PA has attracted intensive attention in the past two decades [1]. In two-photon bio-imaging applications the design of the chromophore requires to have a good cross-section (σ2PA) and good biological compatibility which depends on the molecular volume and polarity [2]. In this work, we present the design, synthesis and characterization of new indolium derivatives. These compounds are easy to achieve with good yields and good photophysical properties. In addition, time-dependent density functional theory (TDDFT) has been carried out to investigate the energy level of the ground and excited state. Their spectral properties and assays performed on cultured cells, demonstrate the potential of these compounds as fluorescent probes with application in two-photon bio-imaging.