On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Stabilized Petrov-Galerkin methods for the convection-diffusion-reaction and the Helmholtz equations

We present two new stabilized high-resolution numerical methods for the convection–diffusion–reaction (CDR) and the Helmholtz equations respectively. The work embarks upon a priori analysis of some consistency recovery procedures for some stabilization methods belonging to the Petrov–Galerkin framework. It was found that the use of some standard practices (e.g. M-Matrices theory) for the design of essentially non-oscillatory numerical methods is not feasible when consistency recovery methods are employed. Hence, with respect to convective stabilization, such recovery methods are not preferred. Next, we present the design of a high-resolution Petrov–Galerkin (HRPG) method for the 1D CDR problem. The problem is studied from a fresh point of view, including practical implications on the formulation of the maximum principle, M-Matrices theory, monotonicity and total variation diminishing (TVD) finite volume schemes. The current method is next in line to earlier methods that may be viewed as an upwinding plus a discontinuity-capturing operator. Finally, some remarks are made on the extension of the HRPG method to multidimensions. Next, we present a new numerical scheme for the Helmholtz equation resulting in quasi-exact solutions. The focus is on the approximation of the solution to the Helmholtz equation in the interior of the domain using compact stencils. Piecewise linear/bilinear polynomial interpolation are considered on a structured mesh/grid. The only a priori requirement is to provide a mesh/grid resolution of at least eight elements per wavelength. No stabilization parameters are involved in the definition of the scheme. The scheme consists of taking the average of the equation stencils obtained by the standard Galerkin finite element method and the classical finite difference method. Dispersion analysis in 1D and 2D illustrate the quasi-exact properties of this scheme. Finally, some remarks are made on the extension of the scheme to unstructured meshes by designing a method within the Petrov–Galerkin framework.

Human urothelial cells grown on collagen adsorbed to surface-modified polymers.

OBJECTIVES: Tissue engineering methods can be applied to regenerate diseased, or congenitally missing, urinary tract tissues. Urinary tract tissue cell cultures must be established in vitro and adequate matrices, acting as cell carriers, must be developed. Although degradable and nondegradable polymer matrices offer adequate mechanical stability, they are not optimal for cell adherence and growth. To overcome this problem, extracellular matrix proteins, permitting cell adhesion and regulation of cell proliferation and differentiation, can be adsorbed to the surface-modified polymer. METHODS: In this study, nondegradable polymer films, poly(ethylene terephthalate), were used as an experimental model. Films were modified by graft polymerization of acrylic acid to subsequently allow collagen type I and III immobilization. The following adhesion, proliferation of human urothelial cells, and induction of their stratification were analyzed. RESULTS: Collagen adsorption on 0.2 microg/cm2 poly(acrylic acid)-grafted polymer films rendered the matrix apt for human urothelial cell adhesion and proliferation. Furthermore, stratification of urothelial cells was demonstrated on these surface-modified matrices. CONCLUSIONS: These results have shown that surface-modified polymer matrices can be used to act as cell carriers for cultured human urothelial cells. Such a cell-matrix construct could be applied in reparative surgery of the urinary tract.

The eukaryotic promoter database (EPD).

The Eukaryotic Promoter Database (EPD) is an annotated non-redundant collection of eukaryotic POL II promoters for which the transcription start site has been determined experimentally. Access to promoter sequences is provided by pointers to positions in nucleotide sequence entries. The annotation part of an entry includes a description of the initiation site mapping data, exhaustive cross-references to the EMBL nucleotide sequence database, SWISS-PROT, TRANSFAC and other databases, as well as bibliographic references. EPD is structured in a way that facilitates dynamic extraction of biologically meaningful promoter subsets for comparative sequence analysis. WWW-based interfaces have been developed that enable the user to view EPD entries in different formats, to select and extract promoter sequences according to a variety of criteria, and to navigate to related databases exploiting different cross-references. The EPD web site also features yearly updated base frequency matrices for major eukaryotic promoter elements. EPD can be accessed at http://www.epd.isb-sib.ch

Les TIC a l'ensenyament de la modelització matemàtica en Ciències Econòmiques i en Ciències Experimentals

Aquest projecte proposa materials didàctics per a un nou plantejament de les assignatures de Matemàtiques dels primers cursos de Ciències Empresarials i d'Enginyeria Tècnica, més acord amb el procés de convergència europea, basat en la realització de projectes que anomenem “Tallers de Modelització Matemàtica” (TMM) en els quals: (1) Els alumnes parteixen de situacions i problemes reals per als quals han de construir per sí mateixos els models matemàtics més adients i, a partir de la manipulació adequada d’aquests models, poden obtenir la informació necessària per donar-los resposta. (2) El treball de construcció, experimentació i avaluació dels models es realitza amb el suport de la calculadora simbòlica Wiris i del full de càlcul Excel com a instruments “normalitzats” del treball matemàtic d’estudiants i professors. (3) S’adapten els programes de les assignatures de matemàtiques de primer curs per tal de poder-les associar a un petit nombre de Tallers que parteixen de situacions adaptades a cada titulació. L’assignatura de Matemàtiques per a les Ciències Empresarials s’articula entorn de dos tallers independents: “Matrius de transició” pel que fa a l’àlgebra lineal i “Previsió de vendes” per a la modelització funcional en una variable. L’assignatura de Matemàtiques per a l’Enginyeria s’articula entorn d’un únic taller, “Models de poblacions”, que abasta la majoria de continguts del curs: successions i models funcionals en una variable, àlgebra lineal i equacions diferencials. Un conjunt d’exercicis interactius basats en la calculadora simbòlica WIRIS (Wiris-player) serveix de suport per al treball tècnic imprescindible per al desenvolupament de les dues assignatures. L’experimentació d’aquests tallers durant 2 cursos consecutius (2006/07 i 2007/08) en dues universitats catalanes (URL i UAB) ha posat en evidència tant els innegables avantatges del nou dispositiu docent per a l’aprenentatge dels estudiants, així com les restriccions institucionals que actualment dificulten la seva gestió i difusió.

Noeuds idéaux et noeuds réels.

La recherche de représentations idéales de noeuds conduit à la définition de nouveaux invariants, utiles à l'étude des noeuds dans les polymères

Linear Aggregation In The Social Accounting Matrix Framework

In economic literature, information deficiencies and computational complexities have traditionally been solved through the aggregation of agents and institutions. In inputoutput modelling, researchers have been interested in the aggregation problem since the beginning of 1950s. Extending the conventional input-output aggregation approach to the social accounting matrix (SAM) models may help to identify the effects caused by the information problems and data deficiencies that usually appear in the SAM framework. This paper develops the theory of aggregation and applies it to the social accounting matrix model of multipliers. First, we define the concept of linear aggregation in a SAM database context. Second, we define the aggregated partitioned matrices of multipliers which are characteristic of the SAM approach. Third, we extend the analysis to other related concepts, such as aggregation bias and consistency in aggregation. Finally, we provide an illustrative example that shows the effects of aggregating a social accounting matrix model.

Simulating the Impact of Sectorial Productivity Gains on Two Regional Economies: Key Sectors from a Supply Side Perspective

In this paper we simulate and analyse the economic impact that sectorial productivity gains have on two regional Spanish economies (Catalonia and Extremadura). In particular we study the quantitative effect that each sector’s productivity gain has on household welfare (real disposable income and equivalent variation), on the consumption price indices and factor relative prices, on real production (GDP) and on the government’s net income (net taxation revenues of social transfers to households). The analytical approach consists of a computable general equilibrium model, in which we assume perfect competition and cleared markets, including factor markets. All the parameters and exogenous variables of the model are calibrated by means of two social accounting matrices, one for each region under study. The results allow us to identify those sectors with the greatest impact on consumer welfare as the key sectors in the regional economies. Keywords: Productivity gains, key sectors, computable general equilibrium

Analyse des cannabinoïdes par spectrométrie de masse en mode tandem = Analysis of cannabinoids by tandem mass spectrometry

Depuis quelques années, la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) ne cesse de gagner du terrain comme méthode d'analyse en toxicologie forensique, notamment pour le dosage des cannabinoïdes. Couplée à la chromatographie liquide (LC) ou gazeuse (GC), elle permet l'identification fiable et le dosage rapide du THC, de son précurseur acide, et de ses principaux métabolites, y compris les glucuronides. Au cours de ces dix dernières années, un nombre significatif de publications sont parues sur ce sujet. L'objectif de cet article est de passer en revue les analyses par spectrométrie de masse en tandem des cannabinoïdes dans diverses matrices biologiques. In recent years, tandem mass spectrometry (MS/MS) is gaining ground as a reference method of analysis in clinical and forensic toxicology, especially for the determination of cannabinoids. Coupled to liquid chromatography (LC) or gas chromatography (GC), it allows the definitive identification and rapid determination of THC, its acid precursor, and its major metabolites, including the glucuronides. During the past decade, several methods of analysis of cannabinoids in different matrices have appeared on this subject. The aim of this paper is to review the analysis of cannabinoids by tandem mass spectrometry methods in various biological matrices

Identifying genetic signatures of selection in a non-model species, alpine gentian (Gentiana nivalis L.), using a landscape genetic approach

It is generally accepted that most plant populations are locally adapted. Yet, understanding how environmental forces give rise to adaptive genetic variation is a challenge in conservation genetics and crucial to the preservation of species under rapidly changing climatic conditions. Environmental variation, phylogeographic history, and population demographic processes all contribute to spatially structured genetic variation, however few current models attempt to separate these confounding effects. To illustrate the benefits of using a spatially-explicit model for identifying potentially adaptive loci, we compared outlier locus detection methods with a recently-developed landscape genetic approach. We analyzed 157 loci from samples of the alpine herb Gentiana nivalis collected across the European Alps. Principle coordinates of neighbor matrices (PCNM), eigenvectors that quantify multi-scale spatial variation present in a data set, were incorporated into a landscape genetic approach relating AFLP frequencies with 23 environmental variables. Four major findings emerged. 1) Fifteen loci were significantly correlated with at least one predictor variable (R (adj) (2) > 0.5). 2) Models including PCNM variables identified eight more potentially adaptive loci than models run without spatial variables. 3) When compared to outlier detection methods, the landscape genetic approach detected four of the same loci plus 11 additional loci. 4) Temperature, precipitation, and solar radiation were the three major environmental factors driving potentially adaptive genetic variation in G. nivalis. Techniques presented in this paper offer an efficient method for identifying potentially adaptive genetic variation and associated environmental forces of selection, providing an important step forward for the conservation of non-model species under global change.

Prenatally engineered autologous amniotic fluid stem cell-based heart valves in the fetal circulation.

Prenatal heart valve interventions aiming at the early and systematic correction of congenital cardiac malformations represent a promising treatment option in maternal-fetal care. However, definite fetal valve replacements require growing implants adaptive to fetal and postnatal development. The presented study investigates the fetal implantation of prenatally engineered living autologous cell-based heart valves. Autologous amniotic fluid cells (AFCs) were isolated from pregnant sheep between 122 and 128 days of gestation via transuterine sonographic sampling. Stented trileaflet heart valves were fabricated from biodegradable PGA-P4HB composite matrices (n = 9) and seeded with AFCs in vitro. Within the same intervention, tissue engineered heart valves (TEHVs) and unseeded controls were implanted orthotopically into the pulmonary position using an in-utero closed-heart hybrid approach. The transapical valve deployments were successful in all animals with acute survival of 77.8% of fetuses. TEHV in-vivo functionality was assessed using echocardiography as well as angiography. Fetuses were harvested up to 1 week after implantation representing a birth-relevant gestational age. TEHVs showed in vivo functionality with intact valvular integrity and absence of thrombus formation. The presented approach may serve as an experimental basis for future human prenatal cardiac interventions using fully biodegradable autologous cell-based living materials.

Multivariate QST-FST comparisons: a neutrality test for the evolution of the g matrix in structured populations.

Neutrality tests in quantitative genetics provide a statistical framework for the detection of selection on polygenic traits in wild populations. However, the existing method based on comparisons of divergence at neutral markers and quantitative traits (Q(st)-F(st)) suffers from several limitations that hinder a clear interpretation of the results with typical empirical designs. In this article, we propose a multivariate extension of this neutrality test based on empirical estimates of the among-populations (D) and within-populations (G) covariance matrices by MANOVA. A simple pattern is expected under neutrality: D = 2F(st)/(1 - F(st))G, so that neutrality implies both proportionality of the two matrices and a specific value of the proportionality coefficient. This pattern is tested using Flury's framework for matrix comparison [common principal-component (CPC) analysis], a well-known tool in G matrix evolution studies. We show the importance of using a Bartlett adjustment of the test for the small sample sizes typically found in empirical studies. We propose a dual test: (i) that the proportionality coefficient is not different from its neutral expectation [2F(st)/(1 - F(st))] and (ii) that the MANOVA estimates of mean square matrices between and among populations are proportional. These two tests combined provide a more stringent test for neutrality than the classic Q(st)-F(st) comparison and avoid several statistical problems. Extensive simulations of realistic empirical designs suggest that these tests correctly detect the expected pattern under neutrality and have enough power to efficiently detect mild to strong selection (homogeneous, heterogeneous, or mixed) when it is occurring on a set of traits. This method also provides a rigorous and quantitative framework for disentangling the effects of different selection regimes and of drift on the evolution of the G matrix. We discuss practical requirements for the proper application of our test in empirical studies and potential extensions.

Interest of qualitative and quantitative profiling of endocannabinoids for evaluation of their implication in drug addiction process

Introduction: In the middle of the 90's, the discovery of endogenous ligands for cannabinoid receptors opened a new era in this research field. Amides and esters of arachidonic acid have been identified as these endogenous ligands. Arachidonoylethanolamide (anandamide or AEA) and 2-Arachidonoylglycerol (2-AG) seem to be the most important of these lipid messengers. In addition, virodhamine (VA), noladin ether (2-AGE), and N-arachidonoyl dopamine (NADA) have been shown to bind to CB receptors with varying affinities. During recent years, it has become more evident that the EC system is part of fundamental regulatory mechanisms in many physiological processes such as stress and anxiety responses, depression, anorexia and bulimia, schizophrenia disorders, neuroprotection, Parkinson disease, anti-proliferative effects on cancer cells, drug addiction, and atherosclerosis. Aims: This work presents the problematic of EC analysis and the input of Information Dependant Acquisition based on hybrid triple quadrupole linear ion trap (QqQLIT) system for the profiling of these lipid mediators. Methods: The method was developed on a LC Ultimate 3000 series (Dionex, Sunnyvale, CA, USA) coupled to a QTrap 4000 system (Applied biosystems, Concord, ON, Canada). The ECs were separated on an XTerra C18 MS column (50 × 3.0 mm i.d., 3.5 μm) with a 5 min gradient elution. For confirmatory analysis, an information-dependant acquisition experiment was performed with selected reaction monitoring (SRM) as survey scan and enhanced produced ion (EPI) as dependant scan. Results: The assay was found to be linear in the concentration range of 0.1-5 ng/mL for AEA, 0.3-5 ng/mL for VA, 2-AGE, and NADA and 1-20 ng/mL for 2-AG using 0.5 mL of plasma. Repeatability and intermediate precision were found less than 15% over the tested concentration ranges. Under non-pathophysiological conditions, only AEA and 2-AG were actually detected in plasma with concentration ranges going from 104 to 537 pg/mL and from 2160 to 3990 pg/mL respectively. We have particularly focused our scopes on the evaluation of EC level changes in biological matrices through drug addiction and atherosclerosis processes. We will present preliminary data obtained during pilot study after administration of cannabis on human patients. Conclusion: ECs have been shown to play a key role in regulation of many pathophysiological processes. Medical research in these different fields continues to growth in order to understand and to highlight the predominant role of EC in the CNS and peripheral tissues signalisation. The profiling of these lipids needs to develop rapid, highly sensitive and selective analytical methods.

Connectome alterations in schizophrenia

Introduction : DTI has proven to be an exquisite biomarker of tissue microstructure integrity. This technique has been successfully applied to schizophrenia in showing that fractional anisotropy (FA, a marker of white matter integrity) is diminished in several areas of the brain (Kyriakopoulos M et al (2008)). New ways of representing diffusion data emerged recently and achieved to create structural connectivity maps in healthy brains (Hagmann P et al. (2008)). These maps have the capacity to study alterations over the entire brain at the connection and network level. This is of high interest in complex disconnection diseases like schizophrenia. We report on the specific network alterations of schizophrenic patients. Methods : 13 patients with chronic schizophrenia were recruited from in-patient, day treatment, out-patient clinics. Comparison subjects were recruited and group-matched to patients on age, sex, handedness, and parental social economic-status. This study was approved by the local IRB and subjects had to give informed written consent. They were scanned with a 3T clinical MRI scanner. DTI and high-resolution anatomical T1w imaging were performed during the same session. The path from diffusion MRI to a multi-resolution structural connection matrices of the entire brain is a five steps process that was performed in a similar way as described in Hagmann P et al. (2008). (1) DTI and T1w MRI of the brain, (2) segmentation of white and gray matter, (3) white matter tractography, (4) segmentation of the cortex into 242 ROIs of equal surface area covering the entire cortex (Fig 1), (5) the connection network was constructed by measuring for each ROI to ROI connection the related average FA along the corresponding tract. Results : For every connection between 2 ROIs of the network we tested the hypothesis H0: "average FA along fiber pathway is larger or equal in patients than in controls". H0 was rejected for connections where average FA in a connection was significantly lower in patients than in controls. Threshold p-value was 0.01 corrected for multiple comparisons with false discovery rate. We identified consistently that temporal, occipito-temporal, precuneo-temporal as well as frontal inferior and precuneo-cingulate connections were altered (Fig 2: significant connections in yellow). This is in agreement with the known literature, which showed across several studies that FA is diminished in several areas of the brain. More precisely, abnormalities were reported in the prefrontal and temporal white matter and to some extent also in the parietal and occipital regions. The alterations reported in the literature specifically included the corpus callosum, the arcuate fasciculus and the cingulum bundle, which was the case here as well. In addition small world indexes are significantly reduced in patients (p<0.01) (Fig. 3). Conclusions : Using connectome mapping to characterize differences in structural connectivity between healthy and diseased subjects we were able to show widespread connectional alterations in schizophrenia patients and systematic small worldness decrease, which is a marker of network desorganization. More generally, we described a method that has the capacity to sensitively identify structure alterations in complex disconnection syndromes where lesions are widespread throughout the connectional network.

Characterization of root apoplastic barriers in Arabidopsis thaliana

In vascular plants, the best-known feature of a differentiated endodermal cell is the "Casparian Strip" (CS). This structure refers to a highly localized cell wall impregnation in the transversal and anticlinal walls of the cell, which surrounds the cell like a belt/ring and is tightly coordinated with respect to neighboring cells. Analogous to tight junctions in animal epithelia, CS in plants act as a diffusion barrier that controls the movement of water and ions from soil into the stele. Since its first description by Robert Caspary in 1865 there have been many attempts to identify the chemical nature of the cell wall deposition in CS. Suberin, lignin, or both have been claimed to be the important components of CS in a series of different species. However, the exact chemical composition of CS has remained enigmatic. This controversy was due to the confusion and lack of knowledge regarding the precise measurement of three developmental stages of the endodermis. The CS represent only the primary stage of endodermal differentiation, which is followed by the deposition of suberin lamellae all around the cellular surface of endodermal cells (secondary developmental stage). Therefore, chemical analysis of whole roots, or even of isolated endodermal tissues, will always find both of the polymers present. It was crucial to clarify this point because this will guide our efforts to understand which cell wall biosynthetic component becomes localized in order to form the CS. The main aim of my work was to find out the major components of (early) CS, as well as their spatial and temporal development, physiological roles and relationship to barrier formation. Employing the knowledge and tools that have been accumulated over the last few years in the model plant Arabidopsis thaliana, various histological and chemical assays were used in this study. A particular feature of my work was to completely degrade, or inhibit formation of lignin and suberin biopolymers by biochemical, classical genetic and molecular approaches and to investigate its effect on CS formation and the establishment of a functional diffusion barrier. Strikingly, interference with monolignol biosynthesis abrogates CS formation and delays the formation of function diffusion barrier. In contrast, transgenic plants devoid of any detectable suberin still develop a functional CS. The combination of all these assays clearly demonstrates that the early CS polymer is made from monolignol (lignin monomers) and is composed of lignin. By contrast, suberin is formed much later as a secondary wall during development of endodermis. These early CS are functionally sufficient to block extracellular diffusion and suberin does not play important role in the establishment of early endodermal diffusion barrier. Moreover, suberin biosynthetic machinery is not present at the time of CS formation. Our study finally concludes the long-standing debate about the chemical nature of CS and opens the door to a new approach in lignin research, specifically for the identification of the components of the CS biosynthetic pathway that mediates the localized deposition of cell walls. I also made some efforts to understand the patterning and differentiation of endodermal passage cells in young roots. In the literature, passage cells are defined as a non- suberized xylem pole associated endodermal cells. Since these cells only contain the CS but not the suberin lamellae, it has been assumed that these cells may offer a continued low-resistance pathway for water and minerals into the stele. Thus far, no genes have been found to be expressed specifically in passage cells. In order to understand the patterning, differentiation, and physiological role of passage it would be crucial to identify some genes that are exclusively expressed in these cells. In order to identify such genes, I first generated fluorescent marker lines of stele-expressed transporters that have been reported to be expressed in the passage cells. My aim was to first highlight the passage cells in a non-specific way. In order to find passage cell specific genes I then adapted a two-component system based on previously published methods for gene expression profiling of individual cell types. This approach will allow us to target only the passage cells and then to study gene expression specifically in this cell type. Taken together, this preparatory work will provide an entry point to understand the formation and role of endodermal passage cells. - Chez les plantes vasculaires, la caractéristique la plus commune des cellules différentiées de l'endoderme est la présence de cadres de Caspary. Cette structure correspond à une imprégnation localisée des parties transversales et anticlinales de la paroi cellulaire. Cela donne naissance, autour de la cellule, à un anneau/cadre qui est coordonné par rapport aux cellules voisines. De manière analogue aux jonctions serrées des épithéliums chez les animaux, les cadres de Caspary agissent chez les plantes comme barrière de diffusion, contrôlant le mouvement de l'eau et des ions à travers la racine entre le sol et la stèle. Depuis leur première description par Robert Caspary en 1865, beaucoup de tentatives ont eu pour but de définir la nature chimique de ces cadres de Caspary. Après l'étude de différentes espèces végétales, à la fois la subérine, la lignine ou les deux ont été revendiquées comme étant des composants importants de ces cadres. Malgré tout, leur nature chimique exacte est restée longtemps énigmatique. Cette controverse provient de la confusion et du manque de connaissance concernant la détermination précise des trois stades de développement de l'endoderme. Les cadres de Caspary représentent uniquement le stade primaire de différentiation de l'endoderme. Celui-ci est suivi par le second stade de différentiation, la déposition de lamelles de subérine tout autour de la cellule endodermal. De ce fait, l'analyse chimique de racines entières ou de cellules d'endoderme isolées ne permet pas de séparer les stades de différentiation primaire et secondaire et aboutit donc à la présence des deux polymères. Il est également crucial de clarifier ce point dans le but de connaître quelle machinerie cellulaire localisée à la paroi cellulaire permet l'élaboration des cadres de Caspary. En utilisant les connaissances et les outils accumulés récemment grâce à la plante modèle Arabidopsis thaliana, divers techniques histologiques et chimiques ont été utilisées dans cette étude. Un point particulier de mon travail a été de dégrader ou d'inhiber complètement la formation de lignine ou de subérine en utilisant des approches de génétique classique ou moléculaire. Le but étant d'observer l'effet de l'absence d'un de ces deux polymères sur la formation des cadres de Caspary et l'établissement d'une barrière de diffusion fonctionnelle. De manière frappante, le fait d'interférer avec la voie de biosynthèse de monolignol (monomères de lignine) abolit la formation des cadres de Caspary et retarde l'élaboration d'une barrière de diffusion fonctionnelle. Par contre, des plantes transgéniques dépourvues d'une quantité détectable de subérine sont quant à elles toujours capables de développer des cadres de Caspary fonctionnels. Mises en commun, ces expériences démontrent que le polymère formant les cadres de Caspary dans la partie jeune de la racine est fait de monolignol, et que de ce fait il s'agit de lignine. La subérine, quant à elle, est formée bien plus tard durant le développement de l'endoderme, de plus il s'agit d'une modification de la paroi secondaire. Ces cadres de Caspary précoces faits de lignine suffisent donc à bloquer la diffusion extracellulaire, contrairement à la subérine. De plus, la machinerie de biosynthèse de la subérine n'est pas encore présente au moment de la formation des cadres de Caspary. Notre étude permet donc de mettre un terme au long débat concernant la nature chimique des cadres de Caspary. De plus, elle ouvre la porte à de nouvelles approches dans la recherche sur la lignine, plus particulièrement pour identifier des composants permettant la déposition localisée de ce polymère dans la paroi cellulaire. J'ai aussi fais des efforts pour mettre en évidence la formation ainsi que le rôle des cellules de passage dans les jeunes racines. Dans la littérature, les cellules de passage sont définies comme de la cellule endodermal faisant face aux pôles xylèmes et dont la paroi n'est pas subérisée. Du fait que ces cellules contiennent uniquement des cadres de Caspary et pas de lamelle de subérine, il a été supposé qu'elles ne devraient offrir que peu de résistance au passage de l'eau et des nutriments entre le sol et la stèle. Le rôle de ces cellules de passage est toujours loin d'être clair, de plus aucun gène s'exprimant spécifiquement dans ces cellules n'a été découvert à ce jour. De manière à identifier de tels gènes, j'ai tout d'abord généré des marqueurs fluorescents pour des transporteurs exprimés dans la stèle mais dont l'expression avait également été signalée dans l'endoderme, uniquement dans les cellules de passage. J'ai ensuite développé un système à deux composants basé sur des méthodes déjà publiées, visant principalement à étudier le profil d'expression génique dans un type cellulaire donné. En recoupant les gènes exprimés spécifiquement dans l'endoderme à ceux exprimés dans la stèle et les cellules de passage, il nous sera possible d'identifier le transriptome spécifique de ces cellules. Pris dans leur ensemble, ces résultats devraient donner un bon point d'entrée dans la définition et la compréhension des cellules de passage.