Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Étude de l’effet d'agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms sur la diffusion des macromolécules dans les biofilms de Streptococcus mutans : cas de l’EDTA et de l’aspirine

Le but de ce travail de mémoire était d'explorer des moyens pour augmenter la perméabilité des biofilms de Streptococcus mutans aux macromolécules en utilisant des agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms. L’acide éthylènediamine tétraacétique (EDTA) ainsi que l’acide acétylsalicylique (aspirine) sont les agents perturbateurs choisis. Le changement de perméabilité des biofilms de S. mutans a été déterminé en mesurant les coefficients de diffusion globale du polyéthylène glycol (PEG) et de diffusion locale de dextrans. Les coefficients de diffusion globale ont été mesurés par spectroscopie infrarouge avec un échantillonnage par réflexion totale atténuée (ATR) alors que la spectroscopie par corrélation de fluorescence (SCF) a été utilisée pour la mesure des coefficients de diffusion locale. Les résultats ont démontré que l’incorporation de l’EDTA à une concentration de 7.5 (m/v) % dans la solution de diffusion permet d’améliorer les propriétés de transport du PEG dans les biofilms en augmentant sa pénétrabilité et son coefficient de diffusion globale. Par contre, aucune variation n’a été constatée dans la valeur du coefficient de diffusion locale de dextran fluorescent. Cette différence peut être expliquée, entre autres, par l'échelle des mesures et la nature différente des molécules diffusantes. L’aspirine n’a démontré aucun effet sur le transport du PEG à travers les biofilms de S. mutans. La pénétration accrue du PEG en présence de l’EDTA a été corrélée aux tests de viabilité des cellules bactériennes. En effet, la combinaison de la pénicilline G (PenG) avec l’EDTA 2 (m/v) % a eu comme effet l’augmentation du pouvoir biocide d’un facteur 3. De plus, les images de microscopie à épifluorescence et de microscopie confocale à balayage de laser ont démontré que les bactéries dans le cœur des microcolonies sont plus affectées par la PenG lorsque le milieu contient de l'EDTA. A la lumière des résultats obtenus, il s’avère que l’incorporation d'agents perturbateurs de la structure des biofilms est une option sérieuse à considérer dans l’éradication des biofilms microbiens. Plus d’études devront être effectuées afin d’investiguer l’effet d’autres molécules possédant les propriétés perturbatrices de la structure des biofilms sur la résistance de ces derniers aux agents antimicrobiens.

Impact d'une mitochondrie exogène sur le protéome du cybride Chrosomus eos

On retrouve dans le complexe Chrosomus eos-neogaeus une forme cybride ayant le génome nucléaire de C. eos et le génome mitochondrial de C. neogaeus. Ce modèle particulier fournit une occasion unique d’étudier l’influence d’une mitochondrie exogène sur le métabolisme et la physiologie d'organismes vivant en milieu naturel, et s'étant donc adaptés à cette situation cellulaire atypique. La mitochondrie jouant un rôle fondamental vital, nous nous attendons à ce que la présence d’une mitochondrie exogène chez la forme cybride ait un impact sur l’expression de son génome et du protéome qui en découle. L’objectif de ce projet est d’étudier les différences au niveau protéomique entre des individus C. eos purs (forme sauvage) et des cybrides provenant d'habitats similaires afin de faire ressortir au maximum les différences dues à la présence de mitochondries C. neogaeus chez la forme cybride. Pour ce faire, nous avons comparé les protéomes des formes cybride et sauvage en utilisant l'électrophorèse en deux dimensions. Un sous-groupe de protéines produisant un signal spécifique révélé par l’analyse comparative a été identifié et analysé par spectrométrie de masse (LC/MS). Les résultats indiquent que la présence de mitochondries C. neogaeus chez le cybride influence fortement la régulation génique chez ce dernier. De plus, les protéines identifiées apportent des pistes intéressantes supportant l'hypothèse que la présence de mitochondries C. neogaeus chez le cybride rendrait ce biotype plus résistant au froid que la forme sauvage.

Agglomération et hétéroagglomération des nanoparticules d'argent en eaux douces

Les nanomatériaux sont une classe de contaminants qui est de plus en plus présent dans l’environnement. Leur impact sur l’environnement dépendra de leur persistance, mobilité, toxicité et bioaccumulation. Chacun de ces paramètres dépendra de leur comportement physicochimique dans les eaux naturelles (i.e. dissolution et agglomération). L’objectif de cette étude est de comprendre l’agglomération et l’hétéroagglomération des nanoparticules d’argent dans l’environnement. Deux différentes sortes de nanoparticules d’argent (nAg; avec enrobage de citrate et avec enrobage d’acide polyacrylique) de 5 nm de diamètre ont été marquées de manière covalente à l’aide d’un marqueur fluorescent et ont été mélangées avec des colloïdes d’oxyde de silice (SiO2) ou d’argile (montmorillonite). L’homo- et hétéroagglomération des nAg ont été étudiés dans des conditions représentatives d’eaux douces naturelles (pH 7,0; force ionique 10 7 à 10-1 M de Ca2+). Les tailles ont été mesurées par spectroscopie de corrélation par fluorescence (FCS) et les résultats ont été confirmés à l’aide de la microscopie en champ sombre avec imagerie hyperspectrale (HSI). Les résultats ont démontrés que les nanoparticules d’argent à enrobage d’acide polyacrylique sont extrêmement stables sous toutes les conditions imposées, incluant la présence d’autres colloïdes et à des forces ioniques très élevées tandis que les nanoparticules d’argent avec enrobage de citrate ont formées des hétéroagrégats en présence des deux particules colloïdales.

Attitudes et comportements alimentaires des athlètes québécoises pratiquant un sport esthétique à un haut niveau : caractéristiques personnelles et comparaison à un groupe de contrôle

La pratique d’un sport de type esthétique est aujourd’hui considérée par plusieurs (Sundgot-Borgen & Torstveit, 2004; Thompson & Sherman, 2010) comme un facteur de risque à l’adoption d’attitudes et de comportements alimentaires inappropriés à l’égard de l’alimentation et de l’image corporelle (ACIAI) et ultimement au développement d’un trouble des conduites alimentaires (TCA). Les études actuelles portant sur cette problématique rapportent toutefois des résultats contradictoires. De plus, certains aspects méthodologiques associés notamment à l’hétérogénéité des échantillons limitent la portée interprétative de ces résultats. Afin de pallier les limites actuelles des écrits empiriques, cette thèse a pour but de tracer le portrait de la problématique des désordres alimentaires chez les jeunes athlètes québécoises de haut niveau en sport esthétique. Pour ce faire, un échantillon homogène de 145 adolescentes âgées de 12 à 19 ans a été constitué soit 52 athlètes de haut niveau et 93 non-athlètes. Les sports représentés sont le patinage artistique, la nage synchronisée et le ballet. À partir de cet échantillon, deux études sont réalisées. L’objectif de la première étude est de comparer l’intensité des ACIAI et la prévalence des TCA dans les deux groupes à l’aide de deux questionnaires soit le Eating Disorder Examination Questionnaire (EDE-Q) et le Eating Disorder Inventory-3 (EDI-3). Les résultats obtenus suggèrent qu’il n’y a pas de différence significative entre les athlètes et les non-athlètes de l’échantillon en ce qui a trait à l’intensité des ACIAI et à la prévalence des TCA. La deuxième étude est constituée de deux objectifs. Tout d’abord, comparer les deux groupes relativement aux caractéristiques personnelles suivantes : l’insatisfaction de l’image corporelle (IIC), le sentiment d’efficacité personnelle envers l’alimentation normative (SEP-AN) et l’image corporelle (SEP-IC), le perfectionnisme (P), l’ascétisme (As), la dysrégulation émotionnelle (DÉ) et le déficit intéroceptif (DI). De nature plus exploratoire, le second objectif de cette étude est de décrire et de comparer les caractéristiques personnelles qui sont associées aux ACIAI dans chacun des groupes. Afin de réaliser ces objectifs, deux autres questionnaires ont été utilisés soit le Eating Disorder Recovery Self-efficacy Questionnaire-f (EDRSQ-f) et le Body Shape Questionnaire (BSQ). En somme, les analyses indiquent que les athlètes de l’échantillon présentent des niveaux plus faibles de SEP-AN et de DÉ. Ce faisant, elles auraient moins confiance en leur capacité à maintenir une alimentation normative, mais réguleraient plus efficacement leurs émotions que les adolescentes non-athlètes. Une fois l’âge et l’indice de masse corporelle contrôlés, les résultats démontrent également que le SEP-AN et l’IIC contribuent à prédire dans chaque groupe les ACIAI tels que mesurés par la recherche de minceur. Le SEP-AN a aussi été associé dans les deux groupes à l’intensité des symptômes boulimiques. Les modèles obtenus diffèrent cependant quant aux variables prédictives principales. Chez les athlètes de l’échantillon, l’intensité des conduites boulimiques est associée à la DÉ alors qu’elle est davantage liée au DI chez les adolescentes non sportives. Enfin, en plus de discuter et de comparer l’ensemble de ces résultats aux autres travaux disponibles, les apports distinctifs de la thèse et les principales limites des études sont abordés. Des pistes sont également suggérées afin d’orienter les recherches futures et des implications cliniques sont proposées.

Une nouvelle méthode pour estimer la torsion géométrique en scoliose idiopathique de l’adolescent

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale. Pour la plupart des patients atteints de SIA, aucun traitement chirurgical n’est nécessaire. Lorsque la déformation devient sévère, un traitement chirurgical visant à réduire la déformation est recommandé. Pour déterminer la sévérité de la SIA, l’imagerie la plus utilisée est une radiographie postéroantérieure (PA) ou antéro-postérieure (AP) du rachis. Plusieurs indices sont disponibles à partir de cette modalité d’imagerie afin de quantifier la déformation de la SIA, dont l’angle de Cobb. La conduite thérapeutique est généralement basée sur cet indice. Cependant, les indices disponibles à cette modalité d’imagerie sont de nature bidimensionnelle (2D). Celles-ci ne décrivent donc pas entièrement la déformation dans la SIA dû à sa nature tridimensionnelle (3D). Conséquemment, les classifications basées sur les indices 2D souffrent des mêmes limitations. Dans le but décrire la SIA en 3D, la torsion géométrique a été étudiée et proposée par Poncet et al. Celle-ci mesure la tendance d’une courbe tridimensionnelle à changer de direction. Cependant, la méthode proposée est susceptible aux erreurs de reconstructions 3D et elle est calculée localement au niveau vertébral. L’objectif de cette étude est d’évaluer une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique par l’approximation de longueurs d’arcs locaux et par paramétrisation de courbes dans la SIA. Une première étude visera à étudier la sensibilité de la nouvelle méthode présentée face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. Par la suite, deux études cliniques vont présenter la iv torsion géométrique comme indice global et viseront à démontrer l’existence de sous-groupes non-identifiés dans les classifications actuelles et que ceux-ci ont une pertinence clinique. La première étude a évalué la robustesse de la nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique chez un groupe de patient atteint de la SIA. Elle a démontré que la nouvelle technique est robuste face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. La deuxième étude a évalué la torsion géométrique utilisant cette nouvelle méthode dans une cohorte de patient avec des déformations de type Lenke 1. Elle a démontré qu’il existe deux sous-groupes, une avec des valeurs de torsion élevées et l’autre avec des valeurs basses. Ces deux sous-groupes possèdent des différences statistiquement significatives, notamment au niveau du rachis lombaire avec le groupe de torsion élevée ayant des valeurs d’orientation des plans de déformation maximales (PMC) en thoraco-lombaire (TLL) plus élevées. La dernière étude a évalué les résultats chirurgicaux de patients ayant une déformation Lenke 1 sous-classifiées selon les valeurs de torsion préalablement. Cette étude a pu démontrer des différences au niveau du PMC au niveau thoraco-lombaire avec des valeurs plus élevées en postopératoire chez les patients ayant une haute torsion. Ces études présentent une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique et présentent cet indice quantitativement. Elles ont démontré l’existence de sous-groupes 3D basés sur cet indice ayant une pertinence clinique dans la SIA, qui n’étaient pas identifiés auparavant. Ce projet contribue dans la tendance actuelle vers le développement d’indices 3D et de classifications 3D pour la scoliose idiopathique de l’adolescent.

Changes in Trunk Appearance After Scoliosis Spinal Surgery and Their Relation to Changes in Spinal Measurements

Study Design Retrospective study of surgical outcome. Objectives To evaluate quantitatively the changes in trunk surface deformities after scoliosis spinal surgery in Lenke 1A adolescent idiopathic scoliosis (AIS) patients and to compare it with changes in spinal measurements. Summary of Background Data Most studies documenting scoliosis surgical outcome used either radiographs to evaluate changes in the spinal curve or questionnaires to assess patients health-related quality of life. Because improving trunk appearance is a major reason for patients and their parents to seek treatment, this study focuses on postoperative changes in trunk surface deformities. Recently, a novel approach to quantify trunk deformities in a reliable, automatic, and noninvasive way has been proposed. Methods Forty-nine adolescents with Lenke 1A idiopathic scoliosis treated surgically were included. The back surface rotation and trunk lateral shift were computed on trunk surface acquisitions before and at least 6 months after surgery. We analyzed the effect of age, height, weight, curve severity, and flexibility before surgery, length of follow-up, and the surgical technique. For 25 patients with available three-dimensional (3D) spinal reconstructions, we compared changes in trunk deformities with changes in two-dimensional (2D) and 3D spinal measurements. Results The mean correction rates for the back surface rotation and the trunk lateral shift are 18% and 50%, respectively. Only the surgical technique had a significant effect on the correction rate of the back surface rotation. Direct vertebral derotation and reduction by spine translation provide a better correction of the rib hump (22% and 31% respectively) than the classic rod rotation technique (8%). The reductions of the lumbar Cobb angle and the apical vertebrae transverse rotation explain, respectively, up to 17% and 16% the reduction of the back surface rotation. Conclusions Current surgical techniques perform well in realigning the trunk; however, the correction of the deformity in the transverse plane proves to be more challenging. More analysis on the positive effect of vertebral derotation on the rib hump correction is needed. Level of evidence III.

Systematics of properties of the electron gas in deep-etched quantum wires

An efficient method is developed for an iterative solution of the Poisson and Schro¿dinger equations, which allows systematic studies of the properties of the electron gas in linear deep-etched quantum wires. A much simpler two-dimensional (2D) approximation is developed that accurately reproduces the results of the 3D calculations. A 2D Thomas-Fermi approximation is then derived, and shown to give a good account of average properties. Further, we prove that an analytic form due to Shikin et al. is a good approximation to the electron density given by the self-consistent methods.

Model of single-electron decay from a strongly isolated quantum dot

Recent measurements of electron escape from a nonequilibrium charged quantum dot are interpreted within a two-dimensional (2D) separable model. The confining potential is derived from 3D self-consistent Poisson-Thomas-Fermi calculations. It is found that the sequence of decay lifetimes provides a sensitive test of the confining potential and its dependence on electron occupation

Finite-size scaling analysis of the avalanches in the three-dimensional Gaussian random-field Ising model with metastable dynamics

A numerical study is presented of the third-dimensional Gaussian random-field Ising model at T=0 driven by an external field. Standard synchronous relaxation dynamics is employed to obtain the magnetization versus field hysteresis loops. The focus is on the analysis of the number and size distribution of the magnetization avalanches. They are classified as being nonspanning, one-dimensional-spanning, two-dimensional-spanning, or three-dimensional-spanning depending on whether or not they span the whole lattice in different space directions. Moreover, finite-size scaling analysis enables identification of two different types of nonspanning avalanches (critical and noncritical) and two different types of three-dimensional-spanning avalanches (critical and subcritical), whose numbers increase with L as a power law with different exponents. We conclude by giving a scenario for avalanche behavior in the thermodynamic limit.

Statistical dynamics of dislocation systems: The influence of dislocation-dislocation correlations.

During plastic deformation of crystalline materials, the collective dynamics of interacting dislocations gives rise to various patterning phenomena. A crucial and still open question is whether the long range dislocation-dislocation interactions which do not have an intrinsic range can lead to spatial patterns which may exhibit well-defined characteristic scales. It is demonstrated for a general model of two-dimensional dislocation systems that spontaneously emerging dislocation pair correlations introduce a length scale which is proportional to the mean dislocation spacing. General properties of the pair correlation functions are derived, and explicit calculations are performed for a simple special case, viz pair correlations in single-glide dislocation dynamics. It is shown that in this case the dislocation system exhibits a patterning instability leading to the formation of walls normal to the glide plane. The results are discussed in terms of their general implications for dislocation patterning.

Investigation of structural, optical and electrical properties and valence band splitting in cu-ln-se compounds

Investigations on thin films that started decades back due to scientific curiosity in the properties of a two-dimensional solid, has developed into a leading research field in recent years due to the ever expanding applications of the thin films in the fann of a variety of active and passive microminiaturized components and devices, solar cells, radiation sowces and detectors, magnetic memory devices, interference filters, refection and antireflection coatings etc. [1]. The recent environment and energy resource concerns have aroused an enonnous interest in the study of materials in thin film form suitable for renewable energy sources such as photovoltaic devices. Recognition of the immense potential applications of the chalcopyrites that can fonn homojunctions or heterojunctions for solar cell fabrication has attracted many researchers to extensive and intense research on them. In this thesis, we have started with studies performed on CuInSe, thin films, a technologically well recognized compound belonging to the l•ill-VI family of semiconductors and have riveted on investigations on the preparation and characterization of compoWlds Culn3Se5. Culn5Seg and CuIn7Se12, an interesting group of compounds related to CuInSe2 called Ordered Vacancy Compounds, having promising applications in photovoltaic devices. A pioneering work attempted on preparing and characterizing the compound Culn7Sel2 is detailed in the chapters on OVC's. Investigation on valence band splitting in avc's have also been attempted for the first time and included as the last chapter in the thesis. Some of the salient features of the chalcopyrite c.ompounds are given in the next section .of this introductory chapter.

Area and Volume Calculation of Necrotic Tissue regions of heart using Interpolation

This paper attempts to develop an improved tool, which would read two dimensional(2D) cardiac MRI images and compute areas and volume of the scar tissue. Here the computation would be done on the cardiac MR images to quantify the extent of damage inflicted by myocardial infarction on the cardiac muscle (myocardium) using Interpolation

Covalently Interconnected Three- Dimensional Graphene Oxide Solids

The creation of three-dimensionally engineered nanoporous architectures via covalently interconnected nanoscale building blocks remains one of the fundamental challenges in nanotechnology. Here we report the synthesis of ordered, stacked macroscopic three-dimensional (3D) solid scaffolds of graphene oxide (GO) fabricated via chemical cross-linking of two-dimensional GO building blocks. The resulting 3D GO network solids form highly porous interconnected structures, and the controlled reduction of these structures leads to formation of 3D conductive graphene scaffolds. These 3D architectures show promise for potential applications such as gas storage; CO2 gas adsorption measurements carried out under ambient conditions show high sorption capacity, demonstrating the possibility of creating new functional carbon solids starting with two-dimensional carbon layers

Fabrication of a quantum well heterostructure based on plasma polymerized aniline and its characterization using STM/STS

Two-dimensional electronic systems play a crucial role in modern electronics and offer a multitude of opportunities to study the fundamental phenomena at low dimensional physics. A quantum well heterostructure based on polyaniline (P) and iodine doped polyaniline (I) thin films were fabricated using radio frequency plasma polymerization on indium tin oxide coated glass plate. Scanning probe microscopy and scanning electron microscopy studies were employed to study the morphology and roughness of the polymer thin films. Local electronic density of states (LDOS) of the P–I–P heterostructures is probed using scanning tunnelling spectroscopy (STS). A step like LDOS is observed in the P–I–P heterostructure and is attributed to the quantum well confinement of electrons in the polymer heterostructure.