Heterogeneity of photosystem II as it occurs in domain specific regions of the thylakoid membrane of spinach (spinacia oleracia L.)

Thylakoid membrane fractions were prepared from specific regions of thylakoid membranes of spinach (Spinacia oleracea). These fractions, which include grana (83), stroma (T3), grana core (8S), margins (Ma) and purified stroma (Y100) were prepared using a non-detergent method including a mild sonication and aqueous two-phase partitioning. The significance of PSlla and PSII~ centres have been described extensively in the literature. Previous work has characterized two types of PSII centres which are proposed to exist in different regions of the thylakoid membrane. a-centres are suggested to aggregate in stacked regions of grana whereas ~-centres are located in unstacked regions of stroma lamellae. The goal of this study is to characterize photosystem II from the isolated membrane vesicles representing different regions of the higher plant thylakoid membrane. The low temperature absorption spectra have been deconvoluted via Gaussian decomposition to estimate the relative sub-components that contribute to each fractions signature absorption spectrum. The relative sizes of the functional PSII antenna and the fluorescence induction kinetics were measured and used to determine the relative contributions of PSlla and PSII~ to each fraction. Picosecond chlorophyll fluorescence decay kinetics were collected for each fraction to characterize and gain insight into excitation energy transfer and primary electron transport in PSlla and PSII~ centres. The results presented here clearly illustrate the widely held notions of PSII/PS·I and PSlIa/PSII~ spatial separation. This study suggests that chlorophyll fluorescence decay lifetimes of PSII~ centres are shorter than those of PSlIa centres and, at FM, the longer lived of the two PSII components renders a larger yield in PSlIa-rich fractions, but smaller in PSIlr3-rich fractions.

Characterization of the state transition in the cyanobacterium synechococcus sp. 7002 and a phycobilisome-less Mutant

ABSTRACT Photosynthetic state transitions were investigated in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 in both wild-type cells and mutant cells lacking phycobilisomes. Preillumination in the presence of DCMU (3(3,4 dichlorophenyl) 1,1 dimethyl urea) induced state 1 and dark adaptation induced state 2 in both wild-type and mutant cells as determined by 77K fluorescence emission spectroscopy. Light-induced transitions were observed in the wildtype after preferential excitation of phycocyanin (state 2) or preferential excitation of chlorophyll .a. (state 1). The state 1 and 2 transitions in the wild-type had half-times of approximately 10 seconds. Cytochrome f and P-700 oxidation kinetics could not be correlated with any current state transition model as cells in state 1 showed faster oxidation kinetics regardless of excitation wavelength. Light-induced transitions were also observed in the phycobilisomeless mutant after preferential excitation of short wavelength chlorophyll !l. (state 2) or carotenoids and long wavelength chlorophyll it (state 1). One-dimensional electrophoresis revealed no significant differences in phosphorylation patterns of resolved proteins between wild-type cells in state 1 and state 2. It is concluded that the mechanism of the light state transition in cyanobacteria does not require the presence of the phycobilisome. The results contradict proposed models for the state transition which require an active role for the phycobilisome.

Distribution of excitation energy in photosynthesis: a study of heat loss, photo chemical activity and fluorescence emission in intact calls of cyanobacterium.

Photosynthetic state transitions were investigated in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 6301 by studying fluorescence emission, heat loss, and PS I activity in intact cells brought to state 1 and state 2. 77K fluorescence emission spectra were modelled with a sum of 6 components corresponding to PBS, PS II, and PS I emissions. The modelled data showed a large decrease in PS II fluorescence accompanied with a small increase in the PS I fluorescence upon transition to state 2 for excitation wavelengths absorbed by both PBS and ChI ll.. The fluorescence changes seen with ChI .a. excitations do not support the predictions of the mobile PBS model of state transition in PBS-containing organisms. Measurements of heat loss from intact cells in the two states were similar for both ChI it. and PBS excitations over three orders of magnitude of laser flash intensity. This suggests that the PBS does not become decoupled from PS II in state 2 as proposed by the PBS detachment model of state transition in PBS-containing organisms. PS I activity measurements done on intact cells showed no difference in the two states, in contrast with the predictions of all of the existing models of state transitions. Based on these results a model for state transition In PBScontaining organisms is proposed, with a PS II photoprotectory function.

Competing demands for a complex system : photosystem II repair, photoprotection and quantum yield

Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge.

Développement d'une méthode de marquage protéique par fluorescence

Le marquage protéique par fluorescence est une méthode de choix permettant d’étudier l’évolution des protéines depuis leur synthèse cellulaire jusqu’à leur dégradation, en plus de rendre possible leur localisation ainsi que la visualisation des interactions entre protéines. De cet intérêt certain ont découlé différentes techniques de marquage, dont celle présentement développée dans le groupe Keillor. Le principe de celle-ci repose sur la réaction entre deux maléimides portés par un fluorogène et une séquence peptidique cible, laquelle contient deux résidus cystéines séparés par une distance appropriée. Suite à cette double addition de thiols du peptide sur les maléimides du fluorogène, la fluorescence latente de ce dernier est régénérée, menant au marquage covalent de la protéine d’intérêt. Afin d’optimiser la spécificité et la sensibilité de cette méthode de marquage, la synthèse de nouveaux fluorogènes et l’étude de l’efficacité de quench de la fluorescence par les maléimides est présentement en cours dans les laboratoires du groupe Keillor.

Study of NAD(P)H fluorescence in living cardiomyocytes by spectrally resolved time-correlated single photon counting

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

Diffusion dans un hydrogel : applications aux biocapteurs et optimisation de la technique de spectroscopie par corrélation de fluorescence (FCS)

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

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

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Développement de nouveaux matériaux conjugués aux propriétés opto-électroniques modulables : de l’électrochromisme à la fluorescence.

La thèse est divisée en deux parties, soit le texte principal et les annexes afin d'alléger la taille des documents.

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.

A robust algorithm for segmenting fluorescence images and its application to single-molecule counting

La microscopie par fluorescence de cellules vivantes produit de grandes quantités de données. Ces données sont composées d’une grande diversité au niveau de la forme des objets d’intérêts et possèdent un ratio signaux/bruit très bas. Pour concevoir un pipeline d’algorithmes efficaces en traitement d’image de microscopie par fluorescence, il est important d’avoir une segmentation robuste et fiable étant donné que celle-ci constitue l’étape initiale du traitement d’image. Dans ce mémoire, je présente MinSeg, un algorithme de segmentation d’image de microscopie par fluorescence qui fait peu d’assomptions sur l’image et utilise des propriétés statistiques pour distinguer le signal par rapport au bruit. MinSeg ne fait pas d’assomption sur la taille ou la forme des objets contenus dans l’image. Par ce fait, il est donc applicable sur une grande variété d’images. Je présente aussi une suite d’algorithmes pour la quantification de petits complexes dans des expériences de microscopie par fluorescence de molécules simples utilisant l’algorithme de segmentation MinSeg. Cette suite d’algorithmes a été utilisée pour la quantification d’une protéine nommée CENP-A qui est une variante de l’histone H3. Par cette technique, nous avons trouvé que CENP-A est principalement présente sous forme de dimère.

Laser Induced Fluorescence Based Optical Fiber Probe for Analyzing Bacteria

Optical fiber based laser induced fluorescence (LIF) measurements were carried out using Rhodamine B to analyze two different species of bacteria , a Gram-positive bacteria namely Bacillus smithii , and fibrin alginolvticus, a Gram- negative bacteria . The fiber sensor was clearly able to distinguish between the two species of bacteria . Quenching effect of the dye Rhodamine B by Bacillus smithii was observed . The effect of dye on the samples was also studied in detail.