Étude du rôle des domaines structuraux et du motif de ciblage YXXO dans le transport intracellulaire et de l'activité fusogénique de la gp41 du VIH-1

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Bright and dark vector rogue waves

For an Erbium-doped mode locked fibre laser, we demonstrate experimentally a new type of vector rogue waves (RWs) emergence of which is caused by the coherent coupling of the orthogonal states of polarisation (SOPs). Unlike weak interaction between neighbouring dissipative solitons for the soliton rain, this creates a new type of the energy landscape where the interaction of the orthogonal SOPs leads to polarisation trapping or escapes from the trapping triggered by polarisation instabilities and so results in the pulse dynamics satisfying criteria of the 'dark' and 'bright' RWs. The obtained results, apart from the fundamental interest, can provide a base for development of the rogue waves mitigation techniques in the context of the applications in photonics and beyond.

Nanofabrication towards biophotonics

This thesis explores methods for fabrication of nanohole arrays, and their integration into a benchtop system for use as sensors or anti-counterfeit labels. Chapter 1 gives an introduction to plasmonics and more specifically nanohole arrays and how they have potential as label free sensors compared to the current biosensors on the market. Various fabrication methods are explored, including Focused Ion Beam, Electron Beam Lithography, Nanoimprint lithography, Template stripping and Phase Shift Lithography. Focused Ion Beam was chosen to fabricate the nanohole arrays due to its suitability for rapid prototyping and it’s relatively low cost. In chapter 2 the fabrication of nanohole arrays using FIB is described, and the samples characterised. The fabricated nanohole arrays are tested as bulk refractive index sensors, before a bioassay using whole molecule human IgG antibodies and antigen is developed and performed on the senor. In chapter 3 the fabricated sensors are integrated into a custom built system, capable of real time, multiplexed detection of biomolecules. Here, scFv antibodies of two biomolecules relevant to the detection of pancreatic cancer (C1q and C3) are attached to the nanohole arrays, and detection of their complementary proteins is demonstrated both in buffer (10 nM detection of C1q Ag) and human serum. Chapter 4 explores arrays of anisotropic (elliptical) nanoholes and shows how the shape anisotropy induces polarisation sensitive transmission spectra, in both simulations and fabricated arrays. The potential use of such samples as visible and NIR tag for anti-counterfeiting applications is demonstrated. Finally, chapter 5 gives a summary of the work completed and discusses potential future work in this area.

Nonlinear optics with cold Rb atoms using tapered optical nanofibres

Optical nanofibres (ONFs) are very thin optical waveguides with sub-wavelength diameters. ONFs have very high evanescent fields and the guided light is confined strongly in the transverse direction. These fibres can be used to achieve strong light-matter interactions. Atoms around the waist of an ONF can be probed by collecting the atomic fluorescence coupling or by measuring the transmission (or the polarisation) of the probe beam sent through it. This thesis presents experiments using ONFs for probing and manipulating laser-cooled 87Rb atoms. As an initial experiment, a single mode ONF was integrated into a magneto-optical trap (MOT) and used for measuring the characteristics of the MOT, such as the loading time and the average temperature of the atom cloud. The effect of a near-resonant probe beam on the local temperature of the cold atoms has been studied. Next, the ONF was used for manipulating the atoms in the evanescent fields region in order to generate nonlinear optical effects. Four-wave mixing, ac Stark effect (Autler-Townes splitting) and electromagnetically induced transparency have been observed at unprecedented ultralow power levels. In another experiment, a few-mode ONF, supporting only the fundamental mode and the first higher order mode group, has been used for studying cold atoms. A higher pumping rate of the atomic fluorescence into the higher order fibreguided modes and more interactions with the surrounding atoms for higher order mode evanescent light, when compared to signals for the fundamental mode, have been identified. The results obtained in the thesis are particularly for a fundamental understanding of light-atom interactions when atoms are near a dielectric surface and also for the development of fibre-based quantum information technologies. Atoms coupled to ONFs could be used for preparing intrinsically fibre-coupled quantum nodes for quantum computing and the studies presented here are significant for a detailed understanding of such a system.

The geographies of encounter: investigating the spatiality and construction of 'meaningful' encounters with difference through the experiences of international students at University College Cork, Ireland

The purpose of this research is to investigate how international students negotiate encounters with Irish students and construct ‘meaning’ from those encounters in the spaces of the university and city. As cities are increasingly characterised by a multiplexity of diversity, the issue of living with difference is becoming more and more pertinent. In the wake of escalating socio-spatial polarisation, inter-cultural tension, racism, and xenophobia, the geographies of encounter seek to untangle the interactions that occur in the quotidian activities and spaces of everyday life to determine whether such encounters might reduce prejudice, antipathy and indifference and establish common social bonds (Amin 2002; Valentine 2008). Thus far, the literature has investigated a number of sites of encounter; public space, the home, neighbourhoods, schools, sports clubs, public transport, cafes and libraries (Wilson 2011; Schuermans 2013; Hemming 2011; Neal and Vincent 2011; Mayblin, Valentine and Anderrson 2015; Laurier and Philo 2006; Valentine and Sadgrove 2013; Harris, Valentine and Piekut 2014; Fincher and Iveson 2008). While these spaces produce a range of outcomes, the literature remains frustrated by a lack of clarity of what constitutes a ‘meaningful’ encounter and how such encounters might be planned for. Drawing on survey and interview data with full-time international students at University College Cork, Ireland, this study contributes to understanding how encounters are shaped by the construction and reproduction of particular identities in particular spaces, imbuing spaces with uneven power frameworks that produce diverse outcomes. Rather than identifying a singular ‘meaningful’ outcome of encounter as a potential panacea to the issues of exclusion and oppression, the contention here is to recognise a range of outcomes that are created by individuals in a range of ways. To define one outcome of encounter as ‘meaningful’ is to overlook the scale of intensity of diverse interactions and the multiplicity of ways in which people learn to live with difference.

A tight-binding analysis of the electronic properties of III-nitride semiconductors

This thesis divides into two distinct parts, both of which are underpinned by the tight-binding model. The first part covers our implementation of the tight-binding model in conjunction with the Berry phase theory of electronic polarisation to probe the atomistic origins of spontaneous polarisation and piezoelectricity as well as attempting to accurately calculate the values and coefficients associated with these phenomena. We first develop an analytic model for the polarisation of a one-dimensional linear chain of atoms. We compare the zincblende and ideal wurtzite structures in terms of effective charges, spontaneous polarisation and piezoelectric coefficients, within a first nearest neighbour tight-binding model. We further compare these to real wurtzite structures and conclude that accurate quantitative results are beyond the scope of this model but qualitative trends can still be described. The second part of this thesis deals with implementing the tight-binding model to investigate the effect of local alloy fluctuations in bulk AlGaN alloys and InGaN quantum wells. We calculate the band gap evolution of Al1_xGaxN across the full composition range and compare it to experiment as well as fitting bowing parameters to the band gap as well as to the conduction band and valence band edges. We also investigate the wavefunction character of the valence band edge to determine the composition at which the optical polarisation switches in Al1_xGaxN alloys. Finally, we examine electron and hole localisation in InGaN quantum wells. We show how the built-in field localises the carriers along the c-axis and how local alloy fluctuations strongly localise the highest hole states in the c-plane, while the electrons remain delocalised in the c-plane. We show how this localisation affects the charge density overlap and also investigate the effect of well width fluctuations on the localisation of the electrons.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Études de la ténacité d'adsorption de la sérum-albumine sur des monocouches auto-assemblées hydrophobes

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

De computatione quantica

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Application de méthodes ab initio à l'étude de polymères semi-conducteurs

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

Étude du rôle des domaines structuraux et du motif de ciblage YXXO dans le transport intracellulaire et de l'activité fusogénique de la gp41 du VIH-1

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Btk regulates macrophage polarization in response to lipopolysaccharide

Bacterial Lipopolysaccharide (LPS) is a strong inducer of inflammation and does so by inducing polarization of macrophages to the classic inflammatory M1 population. Given the role of Btk as a critical signal transducer downstream of TLR4, we investigated its role in M1/M2 induction. In Btk deficient (Btk (-\-)) mice we observed markedly reduced recruitment of M1 macrophages following intraperitoneal administration of LPS. Ex vivo analysis demonstrated an impaired ability of Btk(-/-) macrophages to polarize into M1 macrophages, instead showing enhanced induction of immunosuppressive M2-associated markers in response to M1 polarizing stimuli, a finding accompanied by reduced phosphorylation of STAT1 and enhanced STAT6 phosphorylation. In addition to STAT activation, M1 and M2 polarizing signals modulate the expression of inflammatory genes via differential activation of transcription factors and regulatory proteins, including NF-κB and SHIP1. In keeping with a critical role for Btk in macrophage polarization, we observed reduced levels of NF-κB p65 and Akt phosphorylation, as well as reduced induction of the M1 associated marker iNOS in Btk(-/-) macrophages in response to M1 polarizing stimuli. Additionally enhanced expression of SHIP1, a key negative regulator of macrophage polarisation, was observed in Btk(-/-) macrophages in response to M2 polarizing stimuli. Employing classic models of allergic M2 inflammation, treatment of Btk (-/-) mice with either Schistosoma mansoni eggs or chitin resulted in increased recruitment of M2 macrophages and induction of M2-associated genes. This demonstrates an enhanced M2 skew in the absence of Btk, thus promoting the development of allergic inflammation.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.

L'impact du glissement en fréquence lors de l'accélération directe d'électrons par le faisceau laser

L’accélération directe d’électrons par des impulsions ultrabrèves de polarisation radiale fortement focalisées démontre un grand potentiel, notamment, pour la production de paquets d’électrons ultrabrefs. Plusieurs aspects de ce schéma d’accélération restent toutefois à être explorés pour en permettre une maîtrise approfondie. Dans le cadre du présent mémoire, on s’intéresse à l’ajout d’une dérive de fréquence au champ de l’impulsion TM01 utilisée. Les expressions exactes des composantes du champ électromagnétique de l’impulsion TM01 sont établies à partir d’une généralisation du spectre de Poisson. Il s’agit, à notre connaissance, du premier modèle analytique exact pour la description d’une impulsion avec une dérive de fréquence. Ce modèle est utilisé pour étudier l’impact du glissement en fréquence sur le schéma d’accélération, grâce à des simulations “particule test” unidimensionnelles, considérant en premier lieu une énergie constante par impulsion, puis un champ maximum constant. Les résultats révèlent que le glissement en fréquence diminue le gain en énergie maximum atteignable dans le cadre du schéma d’accélération à l’étude ; une baisse d’efficacité de plusieurs dizaines de pourcents peut survenir. De plus, les simulations mettent en évidence certaines différences reliées à l’utilisation d’impulsions avec une dérive vers les basses fréquences ou avec une dérive vers les hautes fréquences : il se trouve que, pour un glissement en fréquence de même grandeur, l’impulsion avec une dérive vers les basses fréquences conduit à un gain en énergie cinétique maximum plus élevé pour l’électron que l’impulsion avec une dérive vers les hautes fréquences.

Diffusion de la lumière dans les milieux complexes à base de cristaux liquides

Cette thèse présente les étapes de fabrication et les résultats de la caractérisation des modèles de tissu biologique fabriqués en utilisant des cristaux liquides et des polymères qui permettent de contrôler la diffusion et la transmission de la lumière par un champ électrique. Ce champ électrique entraîne un changement d’orientation des molécules de cristaux liquides, ce qui induit des variations locales de l’indice de réfraction dans ces matériaux. Nous avons utilisé ce contrôle de l’indice de réfraction pour contrôler le niveau de diffusion et de transmission dans différents types d’échantillons. Les échantillons utilisés sont faits a) de cristaux liquides purs, b) de sphères de polymère dans un environnement de cristaux liquides, c) de cristaux liquides ou de gouttelettes de cristaux liquides dans un environnement de polymère. Les travaux réalisés nous ont permis de proposer une méthode électro-optique pour simuler, à l’aide de cristaux liquides, des milieux diffusants tels que les tissus biologiques. Dans la recherche de modèles, nous avons montré qu’il est possible de contrôler, par la fréquence du champ électrique, des gouttelettes de cristaux liquides dispersées dans une matrice de polymère contenant des ions lithium. Une sensibilité sélective à la fréquence de la tension électrique appliquée en fonction de la taille des gouttelettes est observée. Par la suite, nous avons démontré l’effet de « quenching » interférentiel de la diffusion pour une sonde optique cohérente en étudiant des modèles non alignés (clustérisés) de cristaux liquides. Nous avons aussi démontré des applications potentielles de ce phénomène tel le filtrage en longueur d’onde par l’ajustement d’un champ électrique. Nous avons ensuite démontré que l’utilisation des cristaux liquides - dits « dual-frequency » - permet une modulation rapide des états ou des structures du matériau ainsi que de la transmission et de la diffusion de lumière de ce dernier. Enfin, nous avons aussi découvert que ces modèles peuvent être contrôlés pour retrouver le degré de polarisation de la lumière diffusée.