It’s a Trap! Unravelling Reversible Charge Trapping in Nanocrystals Through Single Particle and Ensemble Studies

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Implication du virus Epstein-Barr ainsi que de la protéine virale EBNA1 dans la modification de l’épissage alternatif et dans le développement du cancer de l’estomac

Le virus Epstein-Barr est un des virus dotés de propriétés oncogéniques. Ceci est inquiétant car le virus est présent sous forme d’infection latente dans 95% de la population adulte au niveau mondial. Bien que ce virus soit associé surtout aux lymphomes, d’autres types de cancer sont aussi connus par leur association à cette infection tels que le carcinome gastrique. En fait, 10% de tous les cas de carcinome gastrique sont associés à la présence du virus Epstein-Barr. Plusieurs protéines du virus ont été étudiées individuellement afin d’établir leurs propriétés oncogéniques. Parmi celles-ci, la protéine virale EBNA1 joue un rôle important au niveau de la carcinogénèse et son expression est détectée au niveau des tissus gastriques cancéreux associés à l’infection par le virus Epstein-Barr. Des études réalisées au cours de ces dernières années montrent la relation entre un patron aberrant de l’épissage alternatif des ARN messagers et différents types de cancer, comme le cancer du sein et de la prostate. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire visent à établir si le virus Epstein-Barr est capable de changer le patron d’épissage alternatif au niveau des tissus cancéreux de l’estomac. L’utilisation de données de séquençage à haut débit fait sur des tissus cancéreux et tissus sains d’estomac (infectés ou non par le virus Epstein-Barr) permettra d’estimer les changements au niveau du patron d’épissage alternatif en relation à l’état des tissus et de la présence du virus Epstein-Barr. Les résultats obtenus nous montrent que l’épissage alternatif de plus de 500 gènes est altéré lorsque le virus est présent. Parmi ces gènes plusieurs codent pour des facteurs d’épissage, des facteurs de transcription, et des suppresseurs de tumeurs qui pourraient être impliqués dans le processus de développement du cancer. Finalement, nos résultats montrent que le patron d’épissage alternatif d’une cellule est modifié lorsque celle-ci est infectée par le virus Epstein-Barr ou qu’elle exprime une de ses protéines virales EBNA1, et ces altérations touchent plusieurs gènes impliqués dans des processus biologiques et qui semblent favoriser le développement du cancer.

Electrodeposited reduced-graphene oxide/cobalt oxide electrodes for charge storage applications

In the present work, electrochemically reduced-graphene oxide/cobalt oxide composites for charge storage electrodes were prepared by a one-step pulsed electrodeposition route on stainless steel current collectors and after that submitted to a thermal treatment at 200 degrees C. A detailed physico-chemical characterization was performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. The electrochemical response of the composite electrodes was studied by cyclic voltammetry and charge-discharge curves and related to the morphological and phase composition changes induced by the thermal treatment. The results revealed that the composites were promising materials for charge storage electrodes for application in redox supercapacitors, attaining specific capacitances around 430 F g(-1) at 1 A g(-1) and presenting long-term cycling stability. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.

A study of electrochemical transport and diffuse charge dynamics using a Langevin equation

This thesis aims to develop new numerical and computational tools to study electrochemical transport and diffuse charge dynamics at small scales. Previous efforts at modeling electrokinetic phenomena at scales where the noncontinuum effects become significant have included continuum models based on the Poisson-Nernst-Planck equations and atomic simulations using molecular dynamics algorithms. Neither of them is easy to use or conducive to electrokinetic transport modeling in strong confinement or over long time scales. This work introduces a new approach based on a Langevin equation for diffuse charge dynamics in nanofluidic devices, which incorporates features from both continuum and atomistic methods. The model is then extended to include steric effects resulting from finite ion size, and applied to the phenomenon of double layer charging in a symmetric binary electrolyte between parallel-plate blocking electrodes, between which a voltage is applied. Finally, the results of this approach are compared to those of the continuum model based on the Poisson-Nernst-Planck equations.

Le diagnostic anténatal modifie-t-il la prise en charge néonatale et le devenir à 1 an des enfants suivis pour atrésie de l’œsophage de type III ?

International audience

DNA charge neutralisation by linear polymers I: irreversible binding

We develop a deterministic mathematical model to describe the way in which polymers bind to DNA by considering the dynamics of the gap distribution that forms when polymers bind to a DNA plasmid. In so doing, we generalise existing theory to account for overlaps and binding cooperativity whereby the polymer binding rate depends on the size of the overlap The proposed mean-field models are then solved using a combination of numerical and asymptotic methods. We find that overlaps lead to higher coverage and hence higher charge neutralisations, results which are more in line with recent experimental observations. Our work has applications to gene therapy where polymers are used to neutralise the negative charges of the DNA phosphate backbone, allowing condensation prior to delivery into the nucleus of an abnormal cell.

DNA charge neutralisation by linear polymers II: reversible binding

We model the way in which polymers bind to DNA and neutralise its charged backbone by analysing the dynamics of the distribution of gaps along the DNA. We generalise existing theory for irreversible binding to construct new deterministic models which include polymer removal, movement along the DNA and allow for binding with overlaps. We show that reversible binding alters the capacity of the DNA for polymers by allowing the rearrangement of polymer positions over a longer timescale than when binding is irreversible. When the polymers do not overlap, allowing reversible binding increases the number of polymers adhered and hence the charge that the DNA can accommodate; in contrast, when overlaps occur, reversible binding reduces the amount of charge neutralised by the polymers.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

INVESTIGATION OF MAGNESIUM ION CHARGE STORAGE MECHANISM IN MANGANESE DIOXIDE

Magnesium (Mg) battery is considered as a promising candidate for the next generation battery technology that could potentially replace the current lithium (Li)-ion batteries due to the following factors. Magnesium possesses a higher volumetric capacity than commercialized Li-ion battery anode materials. Additionally, the low cost and high abundance of Mg compared to Li makes Mg batteries even more attractive. Moreover, unlike metallic Li anodes which have a tendency to develop a dendritic structure on the surface upon the cycling of the battery, Mg metal is known to be free from such a hazardous phenomenon. Due to these merits of Mg as an anode, the topic of rechargea¬ble Mg batteries has attracted considerable attention among researchers in the last few decades. However, the aforementioned advantages of Mg batteries have not been fully utilized due to the serious kinetic limitation of Mg2+ diffusion process in many hosting compounds which is believed to be due to a strong electrostatic interaction between divalent Mg2+ ions and hosting matrix. This serious kinetic hindrance is directly related to the lack of cathode materials for Mg battery that provide comparable electrochemical performances to that of Li-based system. Manganese oxide (MnO2) is one of the most well studied electrode materials due to its excellent electrochemical properties, including high Li+ ion capacity and relatively high operating voltage (i.e., ~ 4 V vs. Li/Li+ for LiMn2O4 and ~ 3.2 V vs. Mg/Mg2+). However, unlike the good electrochemical properties of MnO2 realized in Li-based systems, rather poor electrochemical performances have been reported in Mg based systems, particularly with low capacity and poor cycling performances. While the origin of the observed poor performances is believed to be due to the aforementioned strong ionic interaction between the Mg2+ ions and MnO2 lattice resulting in a limited diffusion of Mg2+ ions in MnO2, very little has been explored regarding the charge storage mechanism of MnO2 with divalent Mg2+ ions. This dissertation investigates the charge storage mechanism of MnO2, focusing on the insertion behaviors of divalent Mg2+ ions and exploring the origins of the limited Mg2+ insertion behavior in MnO2. It is found that the limited Mg2+ capacity in MnO2 can be significantly improved by introducing water molecules in the Mg electrolyte system, where the water molecules effectively mitigated the kinetic hindrance of Mg2+ insertion process. The combination of nanostructured MnO2 electrode and water effect provides a synergic effect demonstrating further enhanced Mg2+ insertion capability. Furthermore, it is demonstrated in this study that pre-cycling MnO2 electrodes in water-containing electrolyte activates MnO2 electrode, after which improved Mg2+ capacity is maintained in dry Mg electrolyte. Based on a series of XPS analysis, a conversion mechanism is proposed where magnesiated MnO2 undergoes a conversion reaction to Mg(OH)2 and MnOx and Mn(OH)y species in the presence of water molecules. This conversion process is believed to be the driving force that generates the improved Mg2+ capacity in MnO2 along with the water molecule’s charge screening effect. Finally, it is discussed that upon a consecutive cycling of MnO2 in the water-containing Mg electrolyte, structural water is generated within the MnO2 lattice, which is thought to be the origin of the observed activation phenomenon. The results provided in this dissertation highlight that the divalency of Mg2+ ions result in very different electrochemical behaviors than those of the well-studied monovalent Li+ ions towards MnO2.

Charge transport in poly(3-methylthiophene) schottky barrier diodes

Schottky-barrier devices were formed from electropolymerised films of poly (3-methylthiophene) (PMeT). Thermal annealing of a partially undoped film led to diodes with rectification ratios as high as 5900 at 1 V and 50,000 at 2.5 V and ideality factors slightly above 2. The temperature dependence of ac loss tangent and forward currents are identical suggesting that bulk effects dominate device behaviour event at very low forward voltages. Below 250 K forward currents are essentially independent of temperature. Preliminary TSC measurements show the presence of at least two trapping levels in the devices. © 1993.