Factors influencing the seasonal changes in primary productivity of the photosynthetic bacteria of Crawford Lake, Ontario

A naturally occurring population of photosynthetic bacteria, located in the meromictic Crawford Lake, was examined during two field seasons (1979-1981). Primary production, biomass, light intensity, lake transparency, pH and bicarbonate concentration were all monitored during this period at selected time intervals. Analysis of the data indicated that (l4C) bacterial photosynthesis was potentially limited by the ambient bicarbonate concentration. Once a threshold value (of 270 mg/l) was reached a dramatic (2 to 10 fold) increase in the primary productivity of the bacteria was observed. Light intensity appeared to have very little effect on the primary productivity of the bacteria, even at times when analyses by Parkin and Brock (1980a) suggested that light intensity could be limiting (i.e., 3.0-5.0 ft. candles). Shifts in the absorption maxima at 430 nrn of the .bacteriochlorophyll spectrum suggested that changes in the species or strain composition of the photosynthetic bacteria had occurred during the summer months. It was speculated that these changes might reflect seasonal variation in the wavelength of light reaching the bacteria. Chemocline erosion did not have the same effect on the population size (biomass) of the photosynthetic bacteria in Crawford Lake (this thesis) as it did in Pink Lake (Dickman, 1979). In Crawford Lake the depth of the chemocline was lowered with no apparent loss in biomass (according to bacteriochlorophyll data). A reverse current was. proposed to explain the observation. The photosynthetic bacteria contributed a significant proportion (10-60%) of the lake1s primary productivitya Direct evidence was obtained with (14C) labelling of the photosynthetic bacteria, indica.ting that the zooplankton were grazing the photosynthetic bacteria. This indicated that some of the photosynthetic bacterial productivity was assimilated into the food chain of the lake. Therefore, it was concluded that the photosynthetic bacteria made a significant contribution to the total productivity of Crawford Lake.

The measurement of the optical absorption cross section of photosystem 1 and photosystem 2 from whole live cells of porphyridium cruentum, in light state 1 and light state 2

The optical cross section of PS I in whole cells of Porphyridium cruentum (UTEX 161), held in either state 1 or state 2, was determined by measuring the change in absorbance at 820nm, an indication of P700+; the X-section of PS2 was determined by measuring the variable fluorescence, (Fv-Fo)/Fo, from PS2. Both cross-sections were 7 determined by fitting Poisson distribution equations to the light saturation curves obtained with single turnover laser flashes which varied in intensity from zero to a level where maximum yield occurred. Flash wavelengths of 574nm, 626nm, and 668nm were used, energy absorbed by PBS, by PBS and chla, and by chla respectively. There were two populations of both PSi and PS2. A fraction of PSi is associated with PBS, and a fraction of PS2 is free from PBS. On the transition S1->S2, only with PBS-absorbed energy (574nm) did the average X-section of PSi increase (27%), and that of PS2 decrease (40%). The fraction of PSi associated with PBS decreased, from 0.65 to 0.35, and the Xsection of this associated PS 1 increased, from 135±65 A2 to 400±300A2. The cross section of PS2 associated with PBS decreased from 150±50 A2 to 85±45 A2, but the fraction of PS2 associated with PBS, approximately 0.75, did not change significantly. The increase in PSi cross section could not be completely accounted for by postulating that several PSi are associated with a single PBS and that in the transition to state2, fewer PSi share the same number of PBS, resulting in a larger X-section. It is postulated that small changes occur in the attachment of PS2 to PBS causing energy to be diverted to the attached PSi. These experiments support neither the mobile-PBS model of state transitions nor that of spillover. From cross section changes there was no evidence of energy transfer from PS2 to PSi with 668nm light. The decrease in PS2 fluorescence which occurred at this wavelength cannot be explained by energy transfer; another explanation must be sought. No explanation was found for an observed decrease in PSi yield at high flash intensities.

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.

Pigment orientation changes detected by low temperature linear dichroism spectroscopy: cold-hardening transition in phycobilisome-containing organisms

Low temperature (77K) linear dichroism spectroscopy was used to characterize pigment orientation changes accompanying the light state transition in the cyanobacterium, Synechococcus sp. pee 6301, and cold-hardening in winter rye (Secale cereale L. cv. Puma). Samples were oriented for spectroscopy using the gel squeezing method (Abdourakhmanov et aI., 1979) and brought to 77K in liquid nitrogen. The linear dichroism (LD) spectra of Synechococcus 6301 phycobilisome/thylakoid membrane fragments cross-linked in light state 1 and light state 2 with glutaraldehyde showed differences in both chlorophyll a and phycobilin orientation. A decrease in the relative amplitude of the 681nm chlorophyll a positive LD peak was observed in membrane fragments in state 2. Reorientation of the phycobilisome (PBS) during the transition to state 2 resulted in an increase in core allophycocyanin absorption parallel to the membrane, and a decrease in rod phycocyanin parallel absorption. This result supports the "spillover" and "PBS detachment" models of the light state transition in PBS-containing organisms, but not the "mobile PBS" model. A model was proposed for PBS reorientation upon transition to state 2, consisting of a tilt in the antenna complex with respect to the membrane plane. Linear dichroism spectra of PBS/thylakoid fragments from the red alga, Porphyridium cruentum, grown in green light (containing relatively more PSI) and red light (containing relatively more PSll) were compared to identify chlorophyll a absorption bands associated with each photosystem. Spectra from red light - grown samples had a larger positive LD signal on the short wavelength side of the 686nm chlorophyll a peak than those from green light - grown fragments. These results support the identification of the difference in linear dichroism seen at 681nm in Synechococcus spectra as a reorientation of PSll chromophores. Linear dichroism spectra were taken of thylakoid membranes isolated from winter rye grown at 20°C (non-hardened) and 5°C (cold-hardened). Differences were seen in the orientation of chlorophyll b relative to chlorophyll a. An increase in parallel absorption was identified at the long-wavelength chlorophyll a absorption peak, along with a decrease in parallel absorption from chlorophyll b chromophores. The same changes in relative pigment orientation were seen in the LD of isolated hardened and non-hardened light-harvesting antenna complexes (LHCII). It was concluded that orientational differences in LHCII pigments were responsible for thylakoid LD differences. Changes in pigment orientation, along with differences observed in long-wavelength absorption and in the overall magnitude of LD in hardened and non-hardened complexes, could be explained by the higher LHCII monomer:oligomer ratio in hardened rye (Huner et ai., 1987) if differences in this ratio affect differential light scattering properties, or fluctuation of chromophore orientation in the isolated LHCII sample.

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.

Spectral Reflectance Characteristics of Kimberlite Indicator Minerals and Other Selected Mineral Grains

High chromium content in kimberlite indicator minerals such as pyrope garnet and diopside is often correlated with the presence of diamonds. In this study, kimberlite indicator minerals were examined using visible light reflectance spectroscopy to determine if chromium content can be correlated with spectral absorption features. The depth of absorption features in the visible spectral region were correlated with the molecular percentage of chromium and other first series transition metal elements obtained by electron microprobe data. In the visible part of the spectrum, chromium is evident by 3 absorption features in the pyrope reflectance spectrum; one isolated and narrow feature at the wavelength 689 nm was used to correlate with the chromium mol %. The isolation of this feature in the pyrope spectra is advantageous since it is not directly affected by other proximal absorption bands that could be caused by other transition metals. Analysis of the feature indicates that as grain volume increases the depth of the absorption feature will also increase. Clustering grain volumes into fractions yields better correlation between absorption depth and mol % chromium. Other types of garnet (almandine, grossular, spessartine) and kimberlite indicator minerals (olivine, diopside, chromite, ilmenite) were analyzed to determine if other absorption features could be used to predict the proportion of specific transition metal elements. Diopside in particular illustrates the same isolated chromium absorption feature as pyrope and may indicate mol percent but needs further study with larger sample sets.

Fluorescence Studies of Photosystem II Fluorescence Quenching During Desiccation

Poikilohydric organisms have developed mechanisms to protect their photosynthetic machinery during times of desiccation. In hydrated conditions nonphotochemical quenching (NPQ) mechanisms are able to safely dissipate excess excitation energy as heat, but mechanisms of NPQ associated with desiccation tolerance are still largely unclear. In the lichen Parmelia sulcata, photosystem protection has been associated with an energy quenching energetically coupled to PSII and characterized by a fast-fluorescence decay lifetime, and long-wavelength emission. The present study compares the relative ability of green algae and lichens to recover photosynthetic activity after periods of desiccation using steady state fluorescence emission spectroscopy, and picosecond time-resolved fluorescence decay measurements. It was determined that desiccation induced quenching involves an antenna quenching mechanism with similar characteristics appearing in both P. sulcata and green algae. Algae isolated from lichens suggest symbiosis in the lichen appears to enhance this naturally occurring phenomenon and provide greater protection during desiccation.

Étude moléculaire de la formation de complexes protéiques impliqués dans la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G

La communication cellulaire est un phénomène important pour le maintien de l’homéostasie des cellules. Au court des dernières années, cette sphère de recherche sur la signalisation cellulaire a connue des avancées importantes au niveau de l’identification des acteurs principaux impliqués dans la reconnaissance extracellulaire des signaux, ainsi que la compréhension des voies de signalisation engagées par les cellules pour répondre aux facteurs extracellulaires. Malgré ces nouvelles informations, les diverses interrelations moléculaires entre les acteurs ainsi que les voies de signalisation cellulaire, demeurent mal comprises. Le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permet la mesure d’interactions protéiques et peut être utilisé dans deux configurations, le BRET480-YFP (connu aussi comme le BRET1) et le BRET400-GFP (connu aussi en tant que BRET2). Suite à l’oxydation de son substrat, la luciférase de renilla peut transférer son énergie à une protéine fluorescente, uniquement si elles sont à proximité l’une de l’autre (≤100Å). La combinaison dans un seul essai des BRET480-YFP et BRET400-GFP, a permis de suivre trois paires d’interactions, sur une même population cellulaire. Par contre, l’utilisation de deux substrats pour la réaction de bioluminescence rend impossible la mesure simultanée des différents signaux de BRET, pour ce trois nouvelles configurations de BRET ont été mises au point en utilisant des nouvelles protéines fluorescentes. Ainsi deux des nouvelles couleurs de BRET ayant des émissions résolues, le BRET400-BFP et le BRET400mAmetrine ont pu être combinées pour mesurer l’engagement par un RCPG d’une protéine G, ainsi que l’accumulation du second messager. La combinaison de ces BRET a également permis de révéler la formation d’un complexe entre le récepteur α2A adrénergique (α2AAR), Gαi1, le dimère Gβγ ainsi que la kinase des récepteurs couplés aux protéines G (GRK2), suite à l’activation du récepteur. De plus, seule l’entrée de GRK2 semble être en mesure de causer la désensibilisation du α2AAR, en s’intercalant entre Gαi1 et Gβγ. Par contre, la stabilisation de l’interaction entre α2AAR et la β-arrestine2 semble nécessiter l’activité kinase de GRK2. Une autre étude a révélé l’importance de différentes Gα pour la mobilisation du calcium, suite à l’activation du récepteur aux opioïdes de type delta (DOR). Suite à la surexpression de Gα de la famille Gαq, il a été possible de mesurer une influence de ces Gα sur la mobilisation du calcium. Toutefois, cette réponse calcique mesurée en présence des Gαq demeure sensible aux prétraitements à la toxine de Bordetella pertussis, qui inhibe sélectivement l’activité des Gαi. De plus, la co-expression de Gαi et Gαq permet de potentialiser la mobilisation de calcium, démontrant une interrelation entre ces deux familles de protéine Gα, pour la signalisation du DOR. Afin de démontrer l’interrelation directe, des expériences de BRET ont été réalisées entre différentes Gα. En plus de montrer la formation de complexes sélectifs entre les Gα, les expériences de BRET réalisées en parallèle d’analyses de séquences de Gα, ont également mis à jour un site de sélectivité d’interaction entre les Gα, l’hélice α4. Suite à la transposition de cette hélice α4 de Gα12 sur Gαi1, qui normalement n’interagissent pas, il a été possible de forcer l’interaction entre Gα12 et Gαi1, confirmant ainsi que cette hélice α contient l’information permettant une sélectivité d’interaction. Au cours de cette thèse, il a été possible de générer de nouvelles méthodes de mesure d’interactions protéiques qui permettent de multiplexer différents signaux, ce qui a permis de mettre à jour de nouvelles interactions entre divers effecteurs de la signalisation de RCGP

Structures photoniques à base de nanocristaux de silicium

Il y a des indications que les nanocristaux de silicium (nc-Si) présentent un gain optique qui est potentiellement assez grand pour permettre l'amplification optique dans la gamme de longueurs d'ondes où une photoluminescence (PL) intense est mesurée (600- 1000 nm). Afin de fabriquer des cavités optiques, nous avons implantés des morceaux de silice fondue avec des ions de Si pour former une couche de nc-Si d'une épaisseur d'environ 1 μm. Le Si a été implanté à quatre énergies comprises entre 1 MeV et 1,9 MeV de manière à obtenir une concentration atomique de Si en excès variant entre 25% et 30%. Les pièces ont été flanquées de miroirs diélectriques composés de filtres interférentiels multicouches. Sur une plage de longueurs d'ondes d'environ 200 nm de large, un filtre réfléchit près de 100%, alors que l'autre a une réflexion moyenne d'environ 90%. Nous avons mesuré et comparé les spectres de PL de trois échantillons: le premier sans miroir, le second avec des filtres réfléchissant autour de 765 nm (entre 700 nm et 830 nm), et la troisième avec des filtres agissant autour de 875 nm (entre 810 nm et 940 nm). Lorsque les échantillons sont excités avec un laser pulsé à 390 nm, des mesures de photoluminescence résolue dans le temps (PLT) révèlent des taux de décroissance plus rapides en présence de miroirs dans le domaine de longueurs d'onde où ceux-ci agissent comparé aux échantillons sans miroirs. Aussi, l'intensité PL en fonction de la fluence d'excitation montre une augmentation plus rapide de la présence de miroirs, même si celle-ci reste sous-linéaire. Nous concluons que de l'émission stimulée pourrait être présente dans la cavité optique, mais sans dominer les autres mécanismes d'émission et de pertes.

Étude de variabilité photométrique infrarouge de naines brunes

Les naines brunes sont des objets astronomiques de faible masse ( 0.012 - 0.075 M_Sun ) et de basse température ( T < 3,500 K ). Bien qu’elles se forment comme des étoiles, c’est-à-dire par l’effondrement d’un nuage de gaz moléculaire, les naines brunes n’ont pas une masse suffisante pour entretenir des réactions de fusion nucléaire en leur coeur. Les naines brunes relativement chaudes (type L) sont recouvertes de nuages de poussière mais ces derniers disparaissent progressivement de l’atmosphère lorsque la température chute sous les 1,500 K (type T). Les naines brunes près de la transition L/T devraient donc être partiellement recouvertes de nuages. De par leur rotation relativement rapide (2 h - 12 h), le couvert nuageux inhomogène des naines brunes devrait produire une variabilité photométrique observable en bande J (1.2 um), la longueur d’onde à laquelle les nuages ont la plus forte opacité. Ce mémoire présente les résultats d’une recherche de variabilité photométrique infrarouge pour une dizaine de naines brunes de type spectral près de la transition L/T. Les observations, obtenues à l’Observatoire du Mont-Mégantic, ont permis le suivi photométrique en bande J de neuf cibles. Une seule d’entre elles, SDSS J105213.51+442255.7 (T0.5), montre des variations périodiques sur une période d’environ 3 heures avec une amplitude pic-à-pic variant entre 40 et 80 mmag. Pour les huit autres cibles, on peut imposer des limites (3 sigma) de variabilité périodique à moins de 15 mmag pour des périodes entre 1 et 6 heures. Ces résultats supportent l’hypothèse qu’un couvert nuageux partiel existe pour des naines brunes près de la transition L/T mais ce phénomène demeure relativement peu fréquent.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Propriétés des monocouches auto-assemblées du liquide ionique 1-(12-mercaptododécyl)-3-méthylimidazolium

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques.

Sensibilité cérébrale à la lumière en fonction du vieillissement et d’aspects physiologiques fonctionnels de l’œil

Outre ses effets sur le système visuel classique permettant la formation des images, la lumière agit sur plusieurs fonctions « non-visuelles ». Celles-ci incluent la constriction pupillaire, la température corporelle, la sécrétion hormonale, le cycle veille-sommeil, la vigilance et les performances cognitives. Les fonctions non-visuelles sont préférentiellement sensibles aux lumières à longueurs d’ondes courtes (lumière bleue) en comparaison aux longueurs d’ondes plus longues (lumière verte). Il est proposé que le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la sensibilité des fonctions non-visuelles à la lumière. Cette recherche vise à évaluer les effets de l’âge sur la constriction pupillaire et la sensibilité cérébrale à la lumière lors de l’exécution de tâche cognitive. Deux groupes de sujets, 16 jeunes (18-30 ans) et 14 âgés (55-70 ans), ont suivis un protocole de pupillométrie visant à mesurer la dynamique pupillaire lors d’exposition à des lumières bleues et vertes monochromatiques de trois intensités différentes. Les résultats ont montré davantage de constriction en bleu qu’en vert et des effets plus importants suivant l’augmentation de l’intensité lumineuse. Nos résultats ne montrent cependant pas de différence d’âge sur la constriction pupillaire à la lumière suggérant la préservation de cette réponse non-visuelle. Dans un deuxième temps, les mêmes sujets ont exécuté une tâche cognitive en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) tandis qu’ils étaient maintenus dans la noirceur, ou exposés à des lumières bleues. Les résultats ont montré une diminution des effets de la lumière avec l’âge dans le thalamus, l’amygdale, l’insula et l’aire ventrale tegmentale, régions engagées dans la vigilance, l’attention et les processus émotionnels. Les modifications qui s’opèrent sur les différentes fonctions non-visuelles avec l’âge ne semblent pas homogènes. Ces résultats corroborent les évidences animales qui montrent différents seuils de sensibilités à la lumière et la présence de réseaux neuronaux partiellement indépendants pour les diverses réponses non-visuelles. De plus, ils sont les premiers à démontrer que les effets neuronaux stimulants de la lumière bleue sur la cognition sont diminués avec l’âge. Les recherches devront évaluer si cette diminution de sensibilité influence les performances cognitives au cours du vieillissement. Enfin, un raffinement de nos connaissances permettra de mieux adapter l’environnement lumineux avec l’âge.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.