Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Finding the right interactional temperature: do colder patients need more warmth in physician communication style?

Being aware of which communication style should be adopted when facing more difficult patients is important for physicians; it can help prevent patient reactions of dissatisfaction, mistrust, or non-adherence that can be detrimental to the process of care. Past research suggests that less agreeable patients are especially critical towards, and reactive to, their physician's communication style, compared to more agreeable patients. On the basis of the literature, we hypothesized that less agreeable patients would react more negatively than agreeable patients to lower levels of affiliativeness (i.e., warmth, friendliness) in the physicians, in terms of satisfaction with the physician, trust in the physician, and determination to adhere to the treatment. Thirty-six general practitioners (20 men/16 women) working in their own practice in Switzerland were filmed while interacting with 69 patients (36 men/33 women) of different ages (M = 50.7; SD = 18.19; range: 18-84) and presenting different medical problems (e.g., back pain, asthma, hypertension, diabetes). After the medical interview, patients filled in questionnaires measuring their satisfaction with the physician, their trust in the physician, their determination to adhere to the treatment, and their trait of agreeableness. Physician affiliativeness was coded on the basis of the video recordings. Physician gender and dominance, patient gender and age, as well as the gravity of the patient's medical condition were introduced as control variables in the analysis. Results confirmed our hypothesis for satisfaction and trust, but not for adherence; less agreeable patients reacted more negatively (in terms of satisfaction and trust) than agreeable patients to lower levels of affiliativeness in their physicians. This study suggests that physicians should be especially attentive to stay warm and friendly with people low in agreeableness because those patients' satisfaction and trust might be more easily lowered by a cold or distant physician communication style.

Effect of Temperature on the Development and Survival of the Argentine Ant, Linepithema humile

The influence of temperature on the developmental times and survival of insects can largely determine their distribution. For invasive species, like the Argentine ant, Linepithema humile Mayr (Hymenoptera: Formicidae), these data are essential for predicting their potential range based on mechanistic models. In the case of this species, such data are too scarce and incomplete to make accurate predictions based on its physiological needs. This research provides comprehensive new data about brood survival and developmental times at a wide range of temperatures under laboratory conditions. Temperature affected both the complete brood development from egg to adult worker and each of the immature stages separately. The higher the temperature, the shorter the development times. Brood survival from egg to adult was low, with the maximum survival rate being only 16% at 26° C. Temperature also affected survival of each of the immature stages differently: eggs were negatively affected by high temperatures, while larvae were negatively affected by low temperatures, and the survival of pupae was apparently independent of environmental temperature. At 32° C no eggs survived, while at 18° C less than 2% of the eggs hatched into larva. The data from the present study are essential for developing prediction models about the distribution range of this tramp species based on its physiological needs in relation to temperature

Application of low temperature thermochronology to understanding cooling and exhumation in the Central Swiss Alps

THESIS ABSTRACT : Low-temperature thermochronology relies on application of radioisotopic systems whose closure temperatures are below temperatures at which the dated phases are formed. In that sense, the results are interpreted as "cooling ages" in contrast to "formation ages". Owing to the low closure-temperatures, it is possible to reconstruct exhumation and cooling paths of rocks during their residence at shallow levels of the crust, i.e. within first ~10 km of depth. Processes occurring at these shallow depths such as final exhumation, faulting and relief formation are fundamental for evolution of the mountain belts. This thesis aims at reconstructing the tectono-thermal history of the Aar massif in the Central Swiss Alps by means of zircon (U-Th)/He, apatite (U-Th)/He and apatite fission track thermochronology. The strategy involved acquisition of a large number of samples from a wide range of elevations in the deeply incised Lötschen valley and a nearby NEAT tunnel. This unique location allowed to precisely constrain timing, amount and mechanisms of exhumation of the main orographic feature of the Central Alps, evaluate the role of topography on the thermochronological record and test the impact of hydrothermal activity. Samples were collected from altitudes ranging between 650 and 3930 m and were grouped into five vertical profiles on the surface and one horizontal in the tunnel. Where possible, all three radiometric systems were applied to each sample. Zircon (U-Th)/He ages range from 5.1 to 9.4 Ma and are generally positively correlated with altitude. Age-elevation plots reveal a distinct break in slope, which translates into exhumation rate increasing from ~0.4 to ~3 km/Ma at 6 Ma. This acceleration is independently confirmed by increased cooling rates on the order of 100°C/Ma constrained on the basis of age differences between the zircon (U-Th)/He and the remaining systems. Apatite fission track data also plot on a steep age-elevation curve indicating rapid exhumation until the end of the Miocene. The 6 Ma event is interpreted as reflecting tectonically driven uplift of the Aar massif. The late Miocene timing implies that the increase of precipitation in the Pliocene did not trigger rapid exhumation in the Aar massif. The Messinian salinity crisis in the Mediterranean could not directly intensify erosion of the Aar but associated erosional output from the entire Alps may have tapered the orogenic wedge and caused reactivation of thrusting in the Aar massif. The high exhumation rates in the Messinian were followed by a decrease to ~1.3 km/Ma as evidenced by ~8 km of exhumation during last 6 Ma. The slowing of exhumation is also apparent from apatite (U-Th)1He age-elevation data in the northern part of the Lötschen valley where they plot on a ~0.5km/Ma line and range from 2.4 to 6.4 Ma However, from the apatite (U-Th)/He and fission track data from the NEAT tunnel, there is an indication of a perturbation of the record. The apatite ages are youngest under the axis of the valley, in contrast to an expected pattern where they would be youngest in the deepest sections of the tunnel due to heat advection into ridges. The valley however, developed in relatively soft schists while the ridges are built of solid granitoids. In line with hydrological observations from the tunnel, we suggest that the relatively permeable rocks under the valley floor, served as conduits of geothermal fluids that caused reheating leading to partial Helium loss and fission track annealing in apatites. In consequence, apatite ages from the lowermost samples are too young and the calculated exhumation rates may underestimate true values. This study demonstrated that high-density sampling is indispensable to provide meaningful thermochronological data in the Alpine setting. The multi-system approach allows verifying plausibility of the data and highlighting sources of perturbation. RÉSUMÉ DE THÈSE : La thermochronologie de basse température dépend de l'utilisation de systèmes radiométriques dont la température de fermeture est nettement inférieure à la température de cristallisation du minéral. Les résultats obtenus sont par conséquent interprétés comme des âges de refroidissement qui diffèrent des âges de formation obtenus par le biais d'autres systèmes de datation. Grâce aux températures de refroidissement basses, il est aisé de reconstruire les chemins de refroidissement et d'exhumation des roches lors de leur résidence dans la croute superficielle (jusqu'à 10 km). Les processus qui entrent en jeu à ces faibles profondeurs tels que l'exhumation finale, la fracturation et le faillage ainsi que la formation du relief sont fondamentaux dans l'évolution des chaînes de montagne. Ces dernières années, il est devenu clair que l'enregistrement thermochronologique dans les orogènes peut être influencé par le relief et réinitialisé par l'advection de la chaleur liée à la circulation de fluides géothermaux après le refroidissement initial. L'objectif de cette thèse est de reconstruire l'histoire tectono-thermique du massif de l'Aar dans les Alpes suisses Centrales à l'aide de trois thermochronomètres; (U-Th)/He sur zircon, (U-Th)/He sur apatite et les traces de fission sur apatite. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons récolté un grand nombre d'échantillons provenant de différentes altitudes dans la vallée fortement incisée de Lötschental ainsi que du tunnel de NEAT. Cette stratégie d'échantillonnage nous a permis de contraindre de manière précise la chronologie, les quantités et les mécanismes d'exhumation de cette zone des Alpes Centrales, d'évaluer le rôle de la topographie sur l'enregistrement thermochronologique et de tester l'impact de l'hydrothermalisme sur les géochronomètres. Les échantillons ont été prélevés à des altitudes comprises entre 650 et 3930m selon 5 profils verticaux en surface et un dans le tunnel. Quand cela à été possible, les trois systèmes radiométriques ont été appliqués aux échantillons. Les âges (U-Th)\He obtenus sur zircons sont compris entre 5.l et 9.4 Ma et sont corrélés de manière positive avec l'altitude. Les graphiques représentant l'âge et l'élévation montrent une nette rupture de la pente qui traduisent un accroissement de la vitesse d'exhumation de 0.4 à 3 km\Ma il y a 6 Ma. Cette accélération de l'exhumation est confirmée par les vitesses de refroidissement de l'ordre de 100°C\Ma obtenus à partir des différents âges sur zircons et à partir des autres systèmes géochronologiques. Les données obtenues par traces de fission sur apatite nous indiquent également une exhumation rapide jusqu'à la fin du Miocène. Nous interprétons cet évènement à 6 Ma comme étant lié à l'uplift tectonique du massif de l'Aar. Le fait que cet évènement soit tardi-miocène implique qu'une augmentation des précipitations au Pliocène n'a pas engendré cette exhumation rapide du massif de l'Aar. La crise Messinienne de la mer méditerranée n'a pas pu avoir une incidence directe sur l'érosion du massif de l'Aar mais l'érosion associée à ce phénomène à pu réduire le coin orogénique alpin et causer la réactivation des chevauchements du massif de l'Aar. L'exhumation rapide Miocène a été suivie pas une diminution des taux d'exhumation lors des derniers 6 Ma (jusqu'à 1.3 km\Ma). Cependant, les âges (U-Th)\He sur apatite ainsi que les traces de fission sur apatite des échantillons du tunnel enregistrent une perturbation de l'enregistrement décrit ci-dessus. Les âges obtenus sur les apatites sont sensiblement plus jeunes sous l'axe de la vallée en comparaison du profil d'âges attendus. En effet, on attendrait des âges plus jeunes sous les parties les plus profondes du tunnel à cause de l'advection de la chaleur dans les flancs de la vallée. La vallée est creusée dans des schistes alors que les flancs de celle-ci sont constitués de granitoïdes plus durs. En accord avec les observations hydrologiques du tunnel, nous suggérons que la perméabilité élevée des roches sous l'axe de la vallée à permi l'infiltration de fluides géothermaux qui a généré un réchauffement des roches. Ce réchauffement aurait donc induit une perte d'Hélium et un recuit des traces de fission dans les apatites. Ceci résulterait en un rajeunissement des âges apatite et en une sous-estimation des vitesses d'exhumation sous l'axe de la vallée. Cette étude à servi à démontrer la nécessité d'un échantillonnage fin et précis afin d'apporter des données thermochronologiques de qualité dans le contexte alpin. Cette approche multi-système nous a permi de contrôler la pertinence des données acquises ainsi que d'identifier les sources possibles d'erreurs lors d'études thermochronologiques. RÉSUMÉ LARGE PUBLIC Lors d'une orogenèse, les roches subissent un cycle comprenant une subduction, de la déformation, du métamorphisme et, finalement, un retour à la surface (ou exhumation). L'exhumation résulte de la déformation au sein de la zone de collision, menant à un raccourcissement et un apaissessement de l'édifice rocheux, qui se traduit par une remontée des roches, création d'une topographie et érosion. Puisque l'érosion agit comme un racloir sur la partie supérieure de l'édifice, des tentatives de corrélation entre les épisodes d'exhumation rapide et les périodes d'érosion intensive, dues aux changements climatiques, ont été effectuées. La connaissance de la chronologie et du lieu précis est d'une importance capitale pour une quelconque reconstruction de l'évolution d'une chaîne de montagne. Ces critères sont donnés par un retraçage des changements de la température de la roche en fonction du temps, nous donnant le taux de refroidissement. L'instant auquel les roches ont refroidit, passant une certaine température, est contraint par l'application de techniques de datation par radiométrie. Ces méthodes reposent sur la désintégration des isotopes radiogéniques, tels que l'uranium et le potassium, tous deux abondants dans les roches de la croûte terrestre. Les produits de cette désintégration ne sont pas retenus dans les minéraux hôtes jusqu'au moment du refroidissement de la roche sous une température appelée 'de fermeture' , spécifique à chaque système de datation. Par exemple, la désintégration radioactive des atomes d'uranium et de thorium produit des atomes d'hélium qui s'échappent d'un cristal de zircon à des températures supérieures à 200°C. En mesurant la teneur en uranium-parent, l'hélium accumulé et en connaissant le taux de désintégration, il est possible de calculer à quel moment la roche échantillonnée est passée sous la température de 200°C. Si le gradient géothermal est connu, les températures de fermeture peuvent être converties en profondeurs actuelles (p. ex. 200°C ≈ 7km), et le taux de refroidissement en taux d'exhumation. De plus, en datant par système radiométrique des échantillons espacés verticalement, il est possible de contraindre directement le taux d'exhumation de la section échantillonnée en observant les différences d'âges entre des échantillons voisins. Dans les Alpes suisses, le massif de l'Aar forme une structure orographique majeure. Avec des altitudes supérieures à 4000m et un relief spectaculaire de plus de 2000m, le massif domine la partie centrale de la chaîne de montagne. Les roches aujourd'hui exposées à la surface ont été enfouies à plus de 10 km de profond il y a 20 Ma, mais la topographie actuelle du massif de l'Aar semble surtout s'être développée par un soulèvement actif depuis quelques millions d'années, c'est-à-dire depuis le Néogène supérieur. Cette période comprend un changement climatique soudain ayant touché l'Europe il y a environ 5 Ma et qui a occasionné de fortes précipitations, entraînant certainement une augmentation de l'érosion et accélérant l'exhumation des Alpes. Dans cette étude, nous avons employé le système de datation (U-TH)/He sur zircon, dont la température de fermeture de 200°C est suffisamment basse pour caractériser l'exhumation du Néogène sup. /Pliocène. Les échantillons proviennent du Lötschental et du tunnel ferroviaire le plus profond du monde (NEAT) situé dans la partie ouest du massif de l'Aar. Considérés dans l'ensemble, ces échantillons se répartissent sur un dénivelé de 3000m et des âges de 5.1 à 9.4 Ma. Les échantillons d'altitude supérieure (et donc plus vieux) documentent un taux d'exhumation de 0.4 km/Ma jusqu'à il y a 6 Ma, alors que les échantillons situés les plus bas ont des âges similaires allant de 6 à 5.4 Ma, donnant un taux jusqu'à 3km /Ma. Ces données montrent une accélération dramatique de l'exhumation du massif de l'Aar il y a 6 Ma. L'exhumation miocène sup. du massif prédate donc le changement climatique Pliocène. Cependant, lors de la crise de salinité d'il y a 6-5.3 Ma (Messinien), le niveau de la mer Méditerranée est descendu de 3km. Un tel abaissement de la surface d'érosion peut avoir accéléré l'exhumation des Alpes, mais le bassin sud alpin était trop loin du massif de l'Aar pour influencer son érosion. Nous arrivons à la conclusion que la datation (U-Th)/He permet de contraindre précisément la chronologie et l'exhumation du massif de l'Aar. Concernant la dualité tectonique-érosion, nous suggérons que, dans le cas du massif de l'Aar, la tectonique prédomine.

Temperature-dependent elasticity of microtubules

Central to the biological function of microtubules is their ability to modify their length which occurs by addition and removal of subunits at the ends of the polymer, both in vivo and in vitro. This dynamic behavior is strongly influenced by temperature. Here, we show that the lateral interaction between tubulin subunits forming microtubule is strongly temperature dependent. Microtubules deposited on prefabricated substrates were deformed in an atomic force microscope during imaging, in two different experimental geometries. Microtubules were modeled as anisotropic, with the Young's modulus corresponding to the resistance of protofilaments to stretching and the shear modulus describing the weak interaction between the protofilaments. Measurements involving radial compression of microtubules deposited on flat mica confirm that microtubule elasticity depends on the temperature. Bending measurements performed on microtubules deposited on lithographically fabricated substrates show that this temperature dependence is due to changing shear modulus, implying that the lateral interaction between the protofilaments is strongly determined by the temperature. These measurements are in good agreement with previously reported measurements of the disassembly rate of microtubules, demonstrating that the mechanical and dynamic properties of microtubules are closely related.

Comparative winter thermoregulation and body temperature in three sympatric Apodemus species (A-alpicola, A-flavicollis, and A-sylvaticus)

When living in sympatry with Apodemus sylvaticus and A. flavicollis, A. alpicola dominates numerically at higher altitudes. A more efficient winter thermal isolation or a higher winter thermogenic capacity procuring a physiological advantage could explain at least part of this domination. We therefore measured body temperature (Tb), oxygen consumption (VO2), wet minimal thermal conductance (C) and non shivering thermogenesis (NST) at different ambient temperatures (Ta) on winter acclimated mice of the three species, and this for the first time in A. alpicola. NST was high and C low in the three species. No significant difference could be noticed either in Tb between 5 and -10 degrees C, in VO2 measurements at a Ta of -10 degrees C or in C. The NST measurements represent, respectively, 135.2% for A. sylvaticus, 142.8% for A. flavicollis and 140.5% for A. alpicola of the expected values, the values for A. sylvaticus being significantly lower than for the other two species. The basal metabolic rates (BMR) represent 169.4% for A. sylvaticus, 161.6% for A. flavicollis and 138.3% for A. alpicola of the expected values. Having removed the effect of body weight, the BMR value was significantly lower in A. alpicola than in A. flavicollis, but no difference could be noticed between A. sylvaticus and the other two species. In conclusion, the three species of mice have very similar acclimated thermoregulatory characteristics, well adapted to cold ambient conditions. One discriminating and advantageous factor could be the lower basal metabolic rate measured in A. alpicola compared to the other two species.

Linking temperature estimates and microstructures in deformed polymineralic mantle rocks

To constrain deformation temperatures of mantle shear zones, we studied a strike-slip shear zone (Hilti massif, Semail ophiolite, Oman) and focused on the interaction between microstructural mechanisms and chemical equilibration processes. Quantitative microfabric analysis on harzburgites with different deformation intensity (porphyroclastic tectonite, mylonite, and ultramylonite) was combined with orthopyroxene geothermometry. The average grain size of all phases decreases with decreasing shear zone thickness. Dynamic recrystallization of porphyroclasts in combination with dissolution-precipitation and nucleation result in small-sized, chemically equilibrated pyroxenes. The composition of orthopyroxene was used to calculate deformation temperatures. In the case of the porphyroclastic tectonites, the chemical composition of orthopyroxene has been reset by diffusion yielding temperature estimates of 880-900 degrees C. The mylonites were deformed by dislocation creep of olivine and show a broad range of calculated temperatures, which result from a combination of grain size reduction and inheritance of equilibrium compositions from earlier high-temperature events and diffusion. In mylonites, diffusion profiles combined with geothermometry and grain size analysis indicate a mylonitic deformation temperature of 800-900 degrees C possibly followed by diffusion. In ultramylonites, the smallest grains (<30 mu m) reveal equilibration at temperatures of similar to 700 degrees C during the last stages of ductile deformation, which was dominated by diffusion creep of olivine. Our results provide a crucial link between temperature and evolution of microstructures from dislocation creep to diffusion creep in mantle shear zones.

Kernel-based methods for change detection in remote sensing images

Nowadays, the joint exploitation of images acquired daily by remote sensing instruments and of images available from archives allows a detailed monitoring of the transitions occurring at the surface of the Earth. These modifications of the land cover generate spectral discrepancies that can be detected via the analysis of remote sensing images. Independently from the origin of the images and of type of surface change, a correct processing of such data implies the adoption of flexible, robust and possibly nonlinear method, to correctly account for the complex statistical relationships characterizing the pixels of the images. This Thesis deals with the development and the application of advanced statistical methods for multi-temporal optical remote sensing image processing tasks. Three different families of machine learning models have been explored and fundamental solutions for change detection problems are provided. In the first part, change detection with user supervision has been considered. In a first application, a nonlinear classifier has been applied with the intent of precisely delineating flooded regions from a pair of images. In a second case study, the spatial context of each pixel has been injected into another nonlinear classifier to obtain a precise mapping of new urban structures. In both cases, the user provides the classifier with examples of what he believes has changed or not. In the second part, a completely automatic and unsupervised method for precise binary detection of changes has been proposed. The technique allows a very accurate mapping without any user intervention, resulting particularly useful when readiness and reaction times of the system are a crucial constraint. In the third, the problem of statistical distributions shifting between acquisitions is studied. Two approaches to transform the couple of bi-temporal images and reduce their differences unrelated to changes in land cover are studied. The methods align the distributions of the images, so that the pixel-wise comparison could be carried out with higher accuracy. Furthermore, the second method can deal with images from different sensors, no matter the dimensionality of the data nor the spectral information content. This opens the doors to possible solutions for a crucial problem in the field: detecting changes when the images have been acquired by two different sensors.

Nanomotors: new strategies of (bio)sensing based on motion

Nanomotors are nanoscale devices capable of converting energy into movement and forces. Among them, self-propelled nanomotors offer considerable promise for developing new and novel bioanalytical and biosensing strategies based on the direct isolation of target biomolecules or changes in their movement in the presence of target analytes. The mainachievements of this project consists on the development of receptor-functionalized nanomotors that offer direct and rapid target detection, isolation and transport from raw biological samples without preparatory and washing steps. For example, microtube engines functionalized with aptamer, antibody, lectin and enzymes receptors were used for the direct isolation of analytes of biomedical interest, including proteins and whole cells, among others. A target protein was also isolated from a complex sample by using an antigen-functionalized microengine navigating into the reservoirs of a lab-on-a-chip device. The new nanomotorbased target biomarkers detection strategy not only offers highly sensitive, rapid, simple and low cost alternative for the isolation and transport of target molecules, but also represents a new dimension of analytical information based on motion. The recognition events can be easily visualized by optical microscope (without any sophisticated analytical instrument) to reveal the target presence and concentration. The use of artificial nanomachines has shown not only to be useful for (bio)recognition and (bio)transport but also for detection of environmental contamination and remediation. In this context, micromotors modified with superhydrophobic layer demonstrated that effectively interacted, captured, transported and removed oil droplets from oil contaminated samples. Finally, a unique micromotor-based strategy for water-quality testing, that mimics live-fish water-quality testing, based on changes in the propulsion behavior of artificial biocatalytic microswimmers in the presence of aquatic pollutants was also developed. The attractive features of the new micromachine-based target isolation and signal transduction protocols developed in this project offer numerous potential applications in biomedical diagnostics, environmental monitoring, and forensic analysis.

Understanding the two-component sensing System of virulent bacteria

Report for the scientific sojourn carried out at the l’ Institute for Computational Molecular Science of the Temple University, United States, from 2010 to 2012. Two-component systems (TCS) are used by pathogenic bacteria to sense the environment within a host and activate mechanisms related to virulence and antimicrobial resistance. A prototypical example is the PhoQ/PhoP system, which is the major regulator of virulence in Salmonella. Hence, PhoQ is an attractive target for the design of new antibiotics against foodborne diseases. Inhibition of the PhoQ-mediated bacterial virulence does not result in growth inhibition, presenting less selective pressure for the generation of antibiotic resistance. Moreover, PhoQ is a histidine kinase (HK) and it is absent in animals. Nevertheless, the design of satisfactory HK inhibitors has been proven to be a challenge. To compete with the intracellular ATP concentrations, the affinity of a HK inhibidor must be in the micromolar-nanomolar range, whereas the current lead compounds have at best millimolar affinities. Moreover, the drug selectivity depends on the conformation of a highly variable loop, referred to as the “ATP-lid, which is difficult to study by X-Ray crystallography due to its flexibility. I have investigated the binding of different HK inhibitors to PhoQ. In particular, all-atom molecular dynamics simulations have been combined with enhanced sampling techniques in order to provide structural and dynamic information of the conformation of the ATP-lid. Transient interactions between these drugs and the ATP-lid have been identified and the free energy of the different binding modes has been estimated. The results obtained pinpoint the importance of protein flexibility in the HK-inhibitor binding, and constitute a first step in developing more potent and selective drugs. The computational resources of the hosting institution as well as the experience of the members of the group in drug binding and free energy methods have been crucial to carry out this work.

Sodium sensing in neurons with a dendrimer-based nanoprobe.

Ion imaging is a powerful methodology to assess fundamental biological processes in live cells. The limited efficiency of some ion-sensing probes and their fast leakage from cells are important restrictions to this approach. In this study, we present a novel strategy based on the use of dendrimer nanoparticles to obtain better intracellular retention of fluorescent probes and perform prolonged fluorescence imaging of intracellular ion dynamics. A new sodium-sensitive nanoprobe was generated by encapsulating a sodium dye in a PAMAM dendrimer nanocontainer. This nanoprobe is very stable and has high sodium sensitivity and selectivity. When loaded in neurons in live brain tissue, it homogenously fills the entire cell volume, including small processes, and stays for long durations, with no detectable alterations of cell functional properties. We demonstrate the suitability of this new sodium nanosensor for monitoring physiological sodium responses such as those occurring during neuronal activity.