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

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

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

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

Population Ethics, Social Choice Theory, and Two problems in the Measurement of Economic Poverty

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Validity of a Quantitative Clinical Measurement Tool of Trunk Posture in Idiopathic Scoliosis

STUDY DESIGN: Concurrent validity between postural indices obtained from digital photographs (two-dimensional [2D]), surface topography imaging (three-dimensional [3D]), and radiographs. OBJECTIVE: To assess the validity of a quantitative clinical postural assessment tool of the trunk based on photographs (2D) as compared to a surface topography system (3D) as well as indices calculated from radiographs. SUMMARY OF BACKGROUND DATA: To monitor progression of scoliosis or change in posture over time in young persons with idiopathic scoliosis (IS), noninvasive and nonionizing methods are recommended. In a clinical setting, posture can be quite easily assessed by calculating key postural indices from photographs. METHODS: Quantitative postural indices of 70 subjects aged 10 to 20 years old with IS (Cobb angle, 15 degrees -60 degrees) were measured from photographs and from 3D trunk surface images taken in the standing position. Shoulder, scapula, trunk list, pelvis, scoliosis, and waist angles indices were calculated with specially designed software. Frontal and sagittal Cobb angles and trunk list were also calculated on radiographs. The Pearson correlation coefficients (r) was used to estimate concurrent validity of the 2D clinical postural tool of the trunk with indices extracted from the 3D system and with those obtained from radiographs. RESULTS: The correlation between 2D and 3D indices was good to excellent for shoulder, pelvis, trunk list, and thoracic scoliosis (0.81>r<0.97; P<0.01) but fair to moderate for thoracic kyphosis, lumbar lordosis, and thoracolumbar or lumbar scoliosis (0.30>r<0.56; P<0.05). The correlation between 2D and radiograph spinal indices was fair to good (-0.33 to -0.80 with Cobb angles and 0.76 for trunk list; P<0.05). CONCLUSION: This tool will facilitate clinical practice by monitoring trunk posture among persons with IS. Further, it may contribute to a reduction in the use of radiographs to monitor scoliosis progression.

Ultrasonic measurement of the elastic constants of selected nonlinear optical /semiorganic crystals with orthorhombic symmetry

Ultrasonic is a good tool to investigate the elastic properties of crystals. It enables one to determine all the elastic constants, Poisson’s ratios, volume compressibility and bulk modulus of crystals from velocity measurements. It also enables one to demonstrate the anisotropy of elastic properties by plotting sections of the surfaces of phase velocity, slowness, group velocity, Young’s modulus and linear compressibility along the a-b, b-c and a-c planes. They also help one to understand more about phonon amplification and help to interpret various phenomena associated with ultrasonic wave propagation, thermal conductivity, phonon transport etc. Study of nonlinear optical crystals is very important from an application point of view. Hundreds of new NLO materials are synthesized to meet the requirements for various applications. Inorganic, organic and organometallic or semiorganic classes of compounds have been studied for several reasons. Semiorganic compounds have some advantages over their inorganic and inorganic counterparts with regard to their mechanical properties. High damage resistance, high melting point, good transparency and non-hygroscopy are some of the basic requirements for a material to be suitable for device fabrication. New NLO materials are being synthesized and investigation of the mechanical and elastic properties of these crystals is very important to test the suitability of these materials for technological applications

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons.

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Ultrasonic measurement of the elastic properties of benzoyl glycine single crystals

Certain organic crystals are found to possess high non- linear optical coefficients,often one to two orders of magnitude higher than those of the well known inorganic non-linear optical materials.Benzoyl glycine is one such crystal whose optical second-harmonic generation efficiency is much higher than that of potassium dihydrogen phosphate. Single crystals of benzoyl glycine are grown by solvent evaporation technique using N,N-dimethyl formamide as the solvent.All the nine second-order elastic stiffness constants of this orthorhombic crystal are determined from ultrasonic wave velocity measurements employing the pulse echo overlap technique.The anisotropy of elastic wave propagation in this crystal is demonstrated by plotting the phase velocity, slowness,Young's modulus and linear compressibility surfaces along symmetry planes.The volume compressibility, bulk modulus and relevant Poisson's ratios are also determined. Variation of the diagonal elastic stiffness constants with temperature over a limited range are measured and reported.

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

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

Measurement of the absolute fluorescence quantum yield of rhodamine B solution using a dual-beam thermal lens technique

The dual-beam thermal lens technique has been found to be very effective for the measurement of fluorescence quantum yields of dye solutions. The concentration-dependence of the quantum yield of rhodamine B in methanol is studied here using this technique. The observed results are in line with the conclusion that the reduction in the quantum yield in the quenching region is essentially due to the non-radiative relaxation of the absorbed energy. The thermal lens has been found to become abberated above 40 mW of pump laser power. This low value for the upper limit of pump power is due to the fact that the medium is a resonantly absorbing one.

Measurement of laser ablation threshold on doped BiSrCaCuO high temperature superconductors by the pulsed photothermal deflection technique

Laser‐induced damage and ablation thresholds of bulk superconducting samples of Bi2(SrCa)xCu3Oy(x=2, 2.2, 2.6, 2.8, 3) and Bi1.6 (Pb)xSr2Ca2Cu3 Oy (x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) for irradiation with a 1.06 μm beam from a Nd‐YAG laser have been determined as a function of x by the pulsed photothermal deflection technique. The threshold values of power density for ablation as well as damage are found to increase with increasing values of x in both systems while in the Pb‐doped system the threshold values decrease above a specific value of x, coinciding with the point at which the Tc also begins to fall.  

Photoacoustic measurement of transport properties in doped GaAs epitaxial layers

The photoacoustic technique under heat transmission configuration is used to determine the effect of doping on both the thermal and transport properties of p- and n-type GaAs epitaxial layers grown on GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method. Analysis of the data is made on the basis of the theoretical model of Rosencwaig and Gersho. Thermal and transport properties of the epitaxial layers are found by fitting the phase of the experimentally obtained photoacoustic signal with that of the theoretical model. It is observed that both the thermal and transport properties, i.e. thermal diffusivity, diffusion coefficient, surface recombination velocity and nonradiative recombination time, depend on the type of doping in the epitaxial layer. The results clearly show that the photoacoustic technique using heat transmission configuration is an excellent tool to study the thermal and transport properties of epitaxial layers under different doping conditions.