Arabidopsis Rab-E GTPases exhibit a novel interaction with a plasma-membrane phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase

Rab GTPases of the Arabidopsis Rab-E subclass are related to mammalian Rab8 and are implicated in membrane trafficking from the Golgi to the plasma membrane. Using a yeast two-hybrid assay, Arabidopsis phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase 2 (PtdIns(4)P 5-kinase 2; also known as PIP5K2), was shown to interact with all five members of the Rab-E subclass but not with other Rab subclasses residing at the Golgi or trans-Golgi network. Interactions in yeast and in vitro were strongest with RAB-E1d[Q74L] and weakest with the RAB-E1d[S29N] suggesting that PIP5K2 interacts with the GTP-bound form. PIP5K2 exhibited kinase activity towards phosphatidylinositol phosphates with a free 5-hydroxyl group, consistent with PtdIns(4)P 5-kinase activity and this activity was stimulated by Rab binding. Rab-E proteins interacted with PIP5K2 via its membrane occupancy and recognition nexus (MORN) domain which is missing from animal and fungal PtdIns(4)P 5-kinases. In plant cells, GFP:PIP5K2 accumulated at the plasma membrane and caused YFP:RAB-E1d to relocate there from its usual position at the Golgi. GFP:PIP5K2 was rapidly turned over by proteasomal activity in planta, and overexpression of YFP:PIP5K2 caused pleiotropic growth abnormalities in transgenic Arabidopsis. We propose that plant cells exhibit a novel interaction in which PIP5K2 binds GTP-bound Rab-E proteins, which may stimulate temporally or spatially localized PtdIns(4,5)P(2) production at the plasma membrane.

Water-hydrophobic compound interactions with the microbial cell

The structural interactions of biological macromolecules, their biochemical activities and, ultimately, the metabolic function of cellular systems are dependent upon weak inter- and intra-molecular forces such as hydrogen bonds, Van der Waals forces, and the hydrophobic effect. Water molecules, and those of hydrophobic substances such as hydrocarbons, can take part in and/or modify these interactions and thereby determine the operational and structural stability of the microbial cell and its macromolecular systems. We explain how the cytosol, plasma membrane and the extracellular solution form a material and energetic continuum; and discuss the behavior of hydrophobic substances of extracellular origin as they migrate into the plasma membrane and into the cell's interior. The adverse effects of substances with a log P octanol-water =2, that partition into the hydrophobic domains of biological macromolecules, are discussed in relation to microbial cell function; and we speculate whether the cellular stress that they induce is symmetrical or asymmetrical in nature. In the context of the microbial environment, we take a situational-functional approach to consider how hydrophobic stressors interact with the microbial cell, and what types of evasion tactics microbes can employ to minimize their inhibitory activities. Finally, we discuss the ecological implications of hydrocarbon-induced cellular stress for microbial systems.

Potential Cellular Targets and Antibacterial Efficacy of Atmospheric Pressure Non-Thermal Plasma

Atmospheric pressure non-thermal plasma (APNTP) has been gaining increasing interest as a new alternative antibacterial approach. Although this approach has demonstrated promising antibacterial activity, its exact mechanism of action remains unclear. Mechanistic elucidation of the antimicrobial activity will facilitate development and rational optimisation of this approach for potential medical applications. In this study, the antibacterial efficacy of an in-house-built APNTP jet was evaluated alongside an investigation of the interactions between APNTP and major cellular components in order to identify the potential cellular targets involved in plasma-mediated bacterial destruction mechanisms. The investigated plasma jet exhibited excellent, rapid antibacterial activity against a selected panel of clinically significant bacterial species including Bacillus cereus, meticillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa, all of which were completely inactivated within 2 min of plasma exposure. Plasma-mediated damaging effects were observed, to varying degrees, on all of the investigated cellular components including DNA, a model protein enzyme, and lipid membrane integrity and permeability. The antibacterial efficacy of APNTP appears to involve a multiple-target mechanism, which potentially reduces the likelihood of emergence of microbial resistance towards this promising antimicrobial approach. However, cellular membrane damage and resulting permeability perturbation was found to be the most likely rate-determining step in this mechanism. Crown Copyright © 2013.

Synthesis of surfactant-free electrostatically stabilized gold nanoparticles by plasma-induced liquid chemistry

Plasma-induced non-equilibrium liquid chemistry is used to synthesize gold nanoparticles (AuNPs) without using any reducing or capping agents. The morphology and optical properties of the synthesized AuNPs are characterized by transmission electron microscopy (TEM) and ultraviolet-visible spectroscopy. Plasma processing parameters affect the particle shape and size and the rate of the AuNP synthesis process. Particles of different shapes (e. g. spherical, triangular, hexagonal, pentagonal, etc) are synthesized in aqueous solutions. In particular, the size of the AuNPs can be tuned from 5 nm to several hundred nanometres by varying the initial gold precursor (HAuCl4) concentration from 2.5 mu M to 1 mM. In order to reveal details of the basic plasma-liquid interactions that lead to AuNP synthesis, we have measured the solution pH, conductivity and hydrogen peroxide (H2O2) concentration of the liquid after plasma processing, and conclude that H2O2 plays the role of the reducing agent which converts Au+3 ions to Au-0 atoms, leading to nucleation growth of the AuNPs.

Azimuthal asymmetry in collective electron dynamics in relativistically transparent laser-foil interactions

Asymmetry in the collective dynamics of ponderomotively-driven electrons in the interaction of an ultraintense laser pulse with a relativistically transparent target is demonstrated experimentally. The 2D profile of the beam of accelerated electrons is shown to change from an ellipse aligned along the laser polarization direction in the case of limited transparency, to a double-lobe structure aligned perpendicular to it when a significant fraction of the laser pulse co-propagates with the electrons. The temporally-resolved dynamics of the interaction are investigated via particle-in-cell simulations. The results provide new insight into the collective response of charged particles to intense laser fields over an extended interaction volume, which is important for a wide range of applications, and in particular for the development of promising new ultraintense laser-driven ion acceleration mechanisms involving ultrathin target foils.

Harmonic Generation from Relativistic Plasma Surfaces in Ultrasteep Plasma Density Gradients

Harmonic generation in the limit of ultrasteep density gradients is studied experimentally. Observations reveal that, while the efficient generation of high order harmonics from relativistic surfaces requires steep plasma density scale lengths (L-p/lambda <1), the absolute efficiency of the harmonics declines for the steepest plasma density scale length L-p -> 0, thus demonstrating that near-steplike density gradients can be achieved for interactions using high-contrast high-intensity laser pulses. Absolute photon yields are obtained using a calibrated detection system. The efficiency of harmonics reflected from the laser driven plasma surface via the relativistic oscillating mirror was estimated to be in the range of 10(-4)-10(-6) of the laser pulse energy for photon energies ranging from 20-40 eV, with the best results being obtained for an intermediate density scale length.

Modeling relativistic soliton interactions in overdense plasmas: A perturbed nonlinear Schrodinger equation framework

We investigate the dynamics of localized solutions of the relativistic cold-fluid plasma model in the small but finite amplitude limit, for slightly overcritical plasma density. Adopting a multiple scale analysis, we derive a perturbed nonlinear Schrodinger equation that describes the evolution of the envelope of circularly polarized electromagnetic field. Retaining terms up to fifth order in the small perturbation parameter, we derive a self-consistent framework for the description of the plasma response in the presence of localized electromagnetic field. The formalism is applied to standing electromagnetic soliton interactions and the results are validated by simulations of the full cold-fluid model. To lowest order, a cubic nonlinear Schrodinger equation with a focusing nonlinearity is recovered. Classical quasiparticle theory is used to obtain analytical estimates for the collision time and minimum distance of approach between solitons. For larger soliton amplitudes the inclusion of the fifth-order terms is essential for a qualitatively correct description of soliton interactions. The defocusing quintic nonlinearity leads to inelastic soliton collisions, while bound states of solitons do not persist under perturbations in the initial phase or amplitude

X-ray Polarization Spectroscopy from Ultra-Intense Interactions

Detailed knowledge of fast electron energy transport following the interaction of ultrashort intense laser pulses is a key subject for fast ignition. This is a problem relevant to many areas of laser-plasma physics with particular importance to fast ignition and X-ray secondary source development, necessary for the development of large-scale facilities such as HiPER and ELI. Operating two orthogonal crystal spectrometers set at Bragg angles close to 45 degrees determines the X-ray s- and p-polarization ratio. From this ratio, it is possible to infer the velocity distribution function of the fast electron beam within the dense plasma. We report on results of polarization measurements at high density for sulphur and nickel buried layer targets in the high intensity range of 10(19) - 10(21) Wcm(-2). We observe at 45 degrees the Ly-alpha doublet using two sets of orthogonal highly-orientated pyrolytic graphite (HOPG) crystals set in 1(st) order for sulphur and 3(rd) order for nickel.

Novel functional interaction between the plasma membrane Ca2+ pump 4b and the proapoptotic tumor suppressor Ras-associated factor 1 (RASSF1)

Plasma membrane calmodulin-dependent calcium ATPases (PMCAs) are enzymatic systems implicated in the extrusion of calcium from the cell. We and others have previously identified molecular interactions between the cytoplasmic COOH-terminal end of PMCA and PDZ domain-containing proteins. These interactions suggested a new role for PMCA as a modulator of signal transduction pathways. The existence of other intracellular regions in the PMCA molecule prompted us to investigate the possible participation of other domains in interactions with different partner proteins. A two-hybrid screen of a human fetal heart cDNA library, using the region 652-840 of human PMCA4b (located in the catalytic, second intracellular loop) as bait, revealed a novel interaction between PMCA4b and the tumor suppressor RASSF1, a Ras effector protein involved in H-Ras-mediated apoptosis. Immunofluorescence co-localization, immunoprecipitation, and glutathione S-transferase pull-down experiments performed in mammalian cells provided further confirmation of the physical interaction between the two proteins. The interaction domain has been narrowed down to region 74-123 of RASSF1C (144-193 in RASSF1A) and 652-748 of human PMCA4b. The functionality of this interaction was demonstrated by the inhibition of the epidermal growth factor-dependent activation of the Erk pathway when PMCA4b and RASSF1 were co-expressed. This inhibition was abolished by blocking PMCA/RASSSF1 association with an excess of a green fluorescent protein fusion protein containing the region 50-123 of RASSF1C. This work describes a novel protein-protein interaction involving a domain of PMCA other than the COOH terminus. It suggests a function for PMCA4b as an organizer of macromolecular protein complexes, where PMCA4b could recruit diverse proteins through interaction with different domains. Furthermore, the functional association with RASSF1 indicates a role for PMCA4b in the modulation of Ras-mediated signaling.

Laser-driven x-ray and neutron source development for industrial applications of plasma accelerators

Pulsed beams of energetic x-rays and neutrons from intense laser interactions with solid foils are promising for applications where bright, small emission area sources, capable of multi-modal delivery are ideal. Possible end users of laser-driven multi-modal sources are those requiring advanced non-destructive inspection techniques in industry sectors of high value commerce such as aerospace, nuclear and advanced manufacturing. We report on experimental work that demonstrates multi-modal operation of high power laser-solid interactions for neutron and x-ray beam generation. Measurements and Monte Carlo radiation transport simulations show that neutron yield is increased by a factor ∼2 when a 1 mm copper foil is placed behind a 2 mm lithium foil, compared to using a 2 cm block of lithium only. We explore x-ray generation with a 10 picosecond drive pulse in order to tailor the spectral content for radiography with medium density alloy metals. The impact of using >1 ps pulse duration on laser-accelerated electron beam generation and transport is discussed alongside the optimisation of subsequent bremsstrahlung emission in thin, high atomic number target foils. X-ray spectra are deconvolved from spectrometer measurements and simulation data generated using the GEANT4 Monte Carlo code. We also demonstrate the unique capability of laser-driven x-rays in being able to deliver single pulse high spatial resolution projection imaging of thick metallic objects. Active detector radiographic imaging of industrially relevant sample objects with a 10 ps drive pulse is presented for the first time, demonstrating that features of 200 μm size are resolved when projected at high magnification.

Nouvelles stratégies d’imageries afin de faciliter l’étude des interactions entre les récepteurs couplés aux protéines G

L’étude de l’assemblage et de l’acheminement à la membrane plasmique des complexes de signalisation des RCPGs va jouer un rôle crucial dans le développement de nouveaux médicaments ayant moins d’effets secondaires. Des outils permettant l’étude de ces phénomènes existent déjà, mais un outil polyvalent qui permettrait d’étudier plusieurs aspects pourrait grandement faciliter et accélérer ces études. L’étiquette SNAP est un candidat intéressant puisqu’avec cette étiquette il est possible de marquer une seule construction avec une variété de différents substrats. Une construction encodant pour le récepteur β2AR avec une étiquette SNAP à son extrémité C-terminale a été ingénérée. Cette construction est apte à lier son ligand, à être acheminée à la membrane plasmique et à homodimériser. La protéine exprimée a été marquée avec le fluorophore BG-430. De la fluorescence non spécifique a été détectée dans la cellule (même en absence de l’étiquette SNAP sur le récepteur). Un essai BRET a été développé, utilisant la construction HA-β2AR-SNAP en tant qu’accepteur et est fonctionnel. L’étiquette SNAP, comme utilisée ici, ne présente pas un aussi bon candidat qu’attendu, puisque le substrat n’ayant pas réagi demeure coincé dans la cellule. Le facteur activateur de plaquette (PAF) et son récepteur (PAFR) jouent un rôle critique dans plusieurs réponses inflammatoires et le récepteur FP est impliqué dans l’accouchement prématuré. Une meilleure compréhension des complexes de signalisation associés à ces récepteurs pourrait être la première étape dans la compréhension de leur signalisation dans des situations normales ou de maladies. Des expériences de BRET étudiant des interactions de bases entre les récepteurs et leurs partenaires d’interactions connus ont été réalisées. Elles ont permis de déterminer que : les récepteurs PAF et FP homodimérisent, que les récepteurs PAF et FP hétérodimérisent, que les protéines Gβγ interagissent de manière constitutive avec ces récepteurs et qu’aucun signal de BRET n’a été détecté avec la protéine Gα et ce, en présence ou en absence de stimulation par un agoniste (suggérant qu’il est nécessaire d’optimiser le système présentement utilisé).

Étude des interactions entre les cellules progénitrices endothéliales et l’adiponectine

L’adiponectine, une adipokine aux niveaux plasmatiques inversement associés aux composantes du syndrome métabolique, protège contre l’athérosclérose et réduit les risques d’infarctus du myocarde. Les cellules progénitrices endothéliales (EPCs) jouent un rôle dans la réparation vasculaire et leur nombre est réduit chez les patients atteints de maladies cardiovasculaires. Nous croyons que les effets de l’adiponectine peuvent s’expliquer entre autres via ses interactions avec les EPCs. Trois sous-population d’EPCs, isolées du sang de donneurs sains, ont été caractérisées par immunophénotypage par cytométrie en flux. L’expression des récepteurs de l’adiponectine, AdipoR1, AdipoR2 et H-cadherin par les EPCs et les cellules endothéliales a été évaluée par qPCR. Les effets de l’adiponectine sur la migration et l’apoptose des EPCs et sur l’apoptose des HUVECs ont été étudiés. L’expression de l’élastase des neutrophiles par les EPCs et son activité ont été testées. Les résultats de qPCR montrent que l’AdipoR1 est plus fortement exprimé que l’AdipoR2 alors qu’H-cadhérine n’est pas détectable dans les EPCs. Les EPCs précoces expriment aussi l’élastase. L’expression d’AdipoR1 a été confirmée par immunobuvardage. L’adiponectine augmente de façon significative la survie de deux sous-populations d’EPCs, mais pas celle des HUVECs, en condition de privation de sérum. L’activité de l’élastase a été confirmée dans le milieu conditionné par les EPCs. Les EPCs expriment les récepteurs de l’adiponectine et l’élastase. L’adiponectine protège les EPCs contre l’apoptose et pourrait augmenter leur capacité de réparation vasculaire. L’activité élastase des EPCs pourrait moduler localement l’activité de l’adiponectine par la génération de sa forme globulaire.

Prédiction des impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses impliquant des CYP3A et les glycoprotéines-P : développement de modèles physiologiques et analyse de sensibilité

Les propriétés pharmacocinétiques d’un nouveau médicament et les risques d’interactions médicamenteuses doivent être investigués très tôt dans le processus de recherche et développement. L’objectif principal de cette thèse était de concevoir des approches prédictives de modélisation du devenir du médicament dans l’organisme en présence et en absence de modulation d’activité métabolique et de transport. Le premier volet de recherche consistait à intégrer dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK), le transport d’efflux membranaire gouverné par les glycoprotéines-P (P-gp) dans le cœur et le cerveau. Cette approche, basée sur des extrapolations in vitro-in vivo, a permis de prédire la distribution tissulaire de la dompéridone chez des souris normales et des souris déficientes pour les gènes codant pour la P-gp. Le modèle a confirmé le rôle protecteur des P-gp au niveau cérébral, et a suggéré un rôle négligeable des P-gp dans la distribution tissulaire cardiaque pour la dompéridone. Le deuxième volet de cette recherche était de procéder à l’analyse de sensibilité globale (ASG) du modèle PBPK précédemment développé, afin d’identifier les paramètres importants impliqués dans la variabilité des prédictions, tout en tenant compte des corrélations entre les paramètres physiologiques. Les paramètres importants ont été identifiés et étaient principalement les paramètres limitants des mécanismes de transport à travers la membrane capillaire. Le dernier volet du projet doctoral consistait à développer un modèle PBPK apte à prédire les profils plasmatiques et paramètres pharmacocinétiques de substrats de CYP3A administrés par voie orale à des volontaires sains, et de quantifier l’impact d’interactions médicamenteuses métaboliques (IMM) sur la pharmacocinétique de ces substrats. Les prédictions des profils plasmatiques et des paramètres pharmacocinétiques des substrats des CYP3A ont été très comparables à ceux mesurés lors d’études cliniques. Quelques écarts ont été observés entre les prédictions et les profils plasmatiques cliniques mesurés lors d’IMM. Cependant, l’impact de ces inhibitions sur les paramètres pharmacocinétiques des substrats étudiés et l’effet inhibiteur des furanocoumarins contenus dans le jus de pamplemousse ont été prédits dans un intervalle d’erreur très acceptable. Ces travaux ont contribué à démontrer la capacité des modèles PBPK à prédire les impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses avec une précision acceptable et prometteuse.

Développement et caractérisation de sources de neutres réactifs pour l’étude des interactions plasmas-surfaces

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-highplasma au point de résonance au voisinage des parois du réacteur et à des mécanismes d’amortissement de ces instabilités de type Landau. Le même phénomène a été observé dans le plasma de Cl2, mais cet effet disparaissait pour des pressions élevées du au fait de l’amortissement collisionnel. Nous avons aussi montré que ces sources pouvaient conduire à des degrés de dissociation du Cl2 près de 100%.

Une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics : simulation des interfaces immergées et de la dynamique Brownienne des molécules avec des interactions hydrodynamiques

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume.