Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Liquidity traps, capital flows

This paper explores the role of capital flows and exchange rate dynamics in shaping the global economy's adjustment in a liquidity trap. Using a multi-country model with nominal rigidities, we shed light on the global adjustment since the Great Recession, a period where many advanced economies were pushed to the zero bound on interest rates. We establish three main results: (i) When the North hits the zero bound, downstream capital flows alleviate the recession by reallocating demand to the South and switching expenditure toward North goods. (ii) A free capital flow regime falls short of supporting efficient demand and expenditure reallocations and induces too little downstream (upstream) flows during (after) the liquidity trap. (iii) When it comes to capital flow management, individual countries' incentives to manage their terms of trade conflict with aggregate demand stabilization and global efficiency. This underscores the importance of international policy coordination in liquidity trap episodes.

Analysis of Some Stochastic Inventory Models with Pooling Retrial of Customers

The thesis deals with analysis of some Stochastic Inventory Models with Pooling/Retrial of Customers.. In the first model we analyze an (s,S) production Inventory system with retrial of customers. Arrival of customers from outside the system form a Poisson process. The inter production times are exponentially distributed with parameter µ. When inventory level reaches zero further arriving demands are sent to the orbit which has capacity M(<∞). Customers, who find the orbit full and inventory level at zero are lost to the system. Demands arising from the orbital customers are exponentially distributed with parameter γ. In the model-II we extend these results to perishable inventory system assuming that the life-time of each item follows exponential with parameter θ. The study deals with an (s,S) production inventory with service times and retrial of unsatisfied customers. Primary demands occur according to a Markovian Arrival Process(MAP). Consider an (s,S)-retrial inventory with service time in which primary demands occur according to a Batch Markovian Arrival Process (BMAP). The inventory is controlled by the (s,S) policy and (s,S) inventory system with service time. Primary demands occur according to Poissson process with parameter λ. The study concentrates two models. In the first model we analyze an (s,S) Inventory system with postponed demands where arrivals of demands form a Poisson process. In the second model, we extend our results to perishable inventory system assuming that the life-time of each item follows exponential distribution with parameter θ. Also it is assumed that when inventory level is zero the arriving demands choose to enter the pool with probability β and with complementary probability (1- β) it is lost for ever. Finally it analyze an (s,S) production inventory system with switching time. A lot of work is reported under the assumption that the switching time is negligible but this is not the case for several real life situation.

A Novel Method for Switching and Tuning of PBG Structures

Photonic band-gap (PBG) structures are utilized in microwave components as filters to suppress unwanted signals. In this work, rectangular perforations were created in the ground plane of a microstrip line to construct a PBG structure. A gold-coated alumina substrate was utilized to switch or tune the bandstop characteristics of this structure. It was demonstrated that the bandstop characteristics were switched off from - 35 to - 1 dB at 16 GHz. Tuning of the bandstop edge with a shift of 1.5 GHz was also shown

Thermal transport, photoconduction and electrical switching in selected chalcogenide glasses exhibiting carrier type reversal

Department of Instrumentation, Cochin University of Science and Technology

Investigations on Photoconductivity and Electrical Switiching in Selected Chalcogenide Glasses

In this thesis, we present the results of our investigations on the photoconducting and electrical switching properties of selected chalcogenide glass systems. We have used XRD and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis for confinuing the amorphous nature of these materials and for confirming their constituents respectively.Photoconductivity is the enhancement in electrical conductivity of materials brought about by the motion of charge carriers excited by absorbed radiation. The phenomenon involves absorption, photogeneration, recombination and transport processes and it gives good insight into the density of states in the energy gap of solids due to the presence of impurities and lattice defects. Photoconductivity measurements lead to the determination of such important parameters as quantum efficiency, photosensiti\'ity, spectral sensitivity and carrier lifetime. Extensive research work on photoconducting properties of amorphous semiconductors has resulted in the development of a variety of very sensitive photodetectors. Photoconductors are finding newer and newer uses eyery day. CdS, CdSe. Sb2S3, Se, ZnO etc, are typical photoconducting materials which are used in devices like vidicons, light amplifiers, xerography equipment etc.Electrical switching is another interesting and important property possessed by several Te based chalcogenides. Switching is the rapid and reversible transition between a highly resistive OFF state, driven by an external electric field and characterized by a threshold voltage, and a low resistivity ON state, Switching can be either threshold type or memory type. The phenomenon of switching could find applications in areas like infonnation storage, electrical power control etc. Investigations on electrical switching in chalcogenide glasses help in understanding the mechanism of switching which is necessary to select and modify materials for specific switching applications.Analysis of XRD pattern gives no further infonuation about amorphous materials than revealing their disordered structure whereas x-ray photoelectron spectroscopy,XPS) provides information about the different constituents present in the material. Also it gives binding energies (b.e.) of an element in different compounds and hence b.e. shift from the elemental form.Our investigations have been concentrated on the bulk glasses, Ge-In-Se, Ge-Bi-Se and As-Sb-Se for photoconductivity measurements and In-Te for electrical switching. The photoconducting properties of Ge-Sb-Se thin films prepared by sputtering technique have also been studied. The bulk glasses for the present investigations are prepared by the melt quenching technique and are annealed for half an hour at temperatures just below their respective glass transition temperatures. The dependence of photoconducting propenies on composition and temperature are investigated in each system. The electrical switching characteristics of In-Te system are also studied with different compositions and by varying the temperature.

Low-voltage driven ZnS:Mn MIS and MISIM thin film electroluminescent devices with Eu2O3 insulator layer

AC thin film electroluminescent devices of MIS and MISIM have been fabricated with a novel dielectric layer of Eu2O3 as an insulator. The threshold voltage for light emission is found to depend strongly on the frequency of excitation source in these devices. These devices are fabricated with an active layer of ZnS:Mn and a novel dielectric layer of Eu2O3 as an insulator. The observed frequency dependence of brightness-voltage characteristics has been explained on the basis of the loss characteristic of the insulator layer. Changes in the threshold voltage and brightness with variation in emitting or insulating film thickness have been investigated in metal-insulator-semiconductor (MIS) structures. It has been found that the decrease in brightness occurring with decreasing ZnS layer thickness can be compensated by an increase in brightness obtained by reducing the insulator thickness. The optimal condition for low threshold voltage and higher stability has been shown to occur when the active layer to insulator thickness ratio lies between one and two.

Laser-induced Bessel beams can realize fast all-optical switching in gold nanosol prepared by pulsed laser ablation

We demonstrate the possibility of realizing, all-optical switching in gold nanosol. Two overlapping laser beams are used for this purpose, due to which a low-power beam passing collinear to a high-power beam will undergo cross phase modulation and thereby distort the spatial profile. This is taken to advantage for performing logic operations. We have also measured the threshold pump power to obtain a NOT gate and the minimum response time of the device. Contrary to the general notion that the response time of thermal effects used in this application is of the order of milliseconds, we prove that short pump pulses can result in fast switching. Different combinations of beam splitters and combiners will lead to the formation of other logic functions too.

Structure and far-infrared edge modes of quantum antidots at zero magnetic field

We have investigated edge modes of different multipolarity sustained by quantum antidots at zero magnetic field. The ground state of the antidot is described within a local-density-functional formalism. Two sum rules, which are exact within this formalism, have been derived and used to evaluate the energy of edge collective modes as a function of the surface density and the size of the antidot.

Condensation of helium in nanoscopic alkali wedges at zero temperature

We present a complete calculation of the structure of liquid 4He confined to a concave nanoscopic wedge, as a function of the opening angle of the walls. This is achieved within a finite-range density functional formalism. The results here presented, restricted to alkali metal substrates, illustrate the change in meniscus shape from rather broad to narrow wedges on weak and strong alkali adsorbers, and we relate this change to the wetting behavior of helium on the corresponding planar substrate. As the wedge angle is varied, we find a sequence of stable states that, in the case of cesium, undergo one filling and one emptying transition at large and small openings, respectively. A computationally unambiguous criterion to determine the contact angle of 4He on cesium is also proposed.

Diluted three-dimensional random field Ising model at zero temperature with metastable dynamics.

The influence of vacancy concentration on the behavior of the three-dimensional random field Ising model with metastable dynamics is studied. We have focused our analysis on the number of spanning avalanches which allows us a clear determination of the critical line where the hysteresis loops change from continuous to discontinuous. By a detailed finite-size scaling analysis we determine the phase diagram and numerically estimate the critical exponents along the whole critical line. Finally, we discuss the origin of the curvature of the critical line at high vacancy concentration.