Tesi sul tema "In-Situ fluorescence microscopy"

Les biopiles enzymatiques, qui utilisent des enzymes pour convertir l'énergie chimique en électricité, se présentent comme l'une des ressources énergétiques alternatives et propres les plus prometteuses. Cependant, l'immobilisation fonctionnelle de ces enzymes sur une électrode pour une catalyse efficace suscite encore de nombreux défis. Afin d’accéder à des informations résolues dans l'espace, il est nécessaire de coupler l'électrochimie à d’autres techniques de surface. Dans cette thèse, la microscopie de fluorescence confocale à balayage laser a été couplée à l'électrochimie pour la caractérisation de la catalyse électro-enzymatique. La principale réaction étudiée était la réaction de réduction de l'oxygène catalysée par la bilirubine oxydase de Myrothecium verrucaria. Cette réaction implique une consommation de protons couplée au transfert d'électrons. En utilisant une analyse in situ, les variations locales de pH qui se produisent à proximité de la bioélectrode pendant la catalyse enzymatique sont visualisées grâce à un fluorophore dont l’émission dépend du pH, la fluorescéine. L'activité de l'enzyme a d’abord été sondée par spectroscopie UV-vis et électrochimie. Nous avons ensuite montré que l'intensité de la fluorescence enregistrée est directement proportionnelle au courant catalytique. Les profils d'appauvrissement en protons à l’interface électrochimique dans des électrolytes tamponnés et non tamponnés ont été reconstruits, afin de déterminer l'influence de la force ionique sur l'environnement local des enzymes. Enfin, les enzymes ont été marquées avec des fluorophores, permettant de révéler les hétérogénéités locales de leur distribution interfaciale
Enzyme biofuel cells, which use enzymes to convert chemical energy into electricity, hold promise as one of the most promising alternative and clean energy resources. However, the immobilization of such enzymes on an electrode for efficient catalysis still raises many challenges. In order to access spatially resolved information, it is necessary to couple electrochemistry to other surface techniques. In this thesis, confocal laser scanning fluorescence microscopy was coupled with electrochemistry for the characterization of electro-enzymatic catalysis. The main reaction studied was the oxygen reduction reaction catalyzed by bilirubin oxidase from Myrothecium verrucaria. This reaction involves a consumption of protons coupled with electron transfer. Using in situ analysis, the local pH variations that occur near the bioelectrode during the enzymatic catalysis are visualized thanks to a fluorophore whose emission depends on the pH, fluorescein. The activity of the enzyme was first probed by UV-vis spectroscopy and electrochemistry. We then showed that the intensity of the fluorescence recorded is directly proportional to the catalytic current. Profiles of proton depletion at the electrochemical interface in buffered and unbuffered electrolytes were reconstructed to determine the influence of ionic strength on the local environment of enzymes. Finally, the enzymes were labeled with fluorophores, making it possible to reveal the local heterogeneities of their interfacial distribution

La microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) est une technique inventée au mans, il y a une dizaine d’années. Elle permet de visualiser des objets de taille nanoscopique entre polariseur et analyseur croisés en utilisant les propriétés non dépolarisantes de surfaces multicouches. Jusqu’au début de la thèse, seules des observations à l’air étaient possibles. Le but de cette thèse a consisté à adapter cette technique à l’observation in-situ d’objets en immersion dans l’eau.Pour cela, il a fallu inventer de nouvelles surfaces propres à ce nouveau milieu. Les calculs ont montrés que des surfaces fines d’or révélaient un bon contraste pour des objets de 1 nm en immersion dans l’eau. Expérimentalement, nous avons montré que pour exploiter au maximum le contraste SEEC, il est nécessaire de modifier l’éclairage. En parallèle de ces travaux expérimentaux, de nouveaux calculs ont montrés que l’utilisation d’épaisseurs encore plus fines permettait de visualiser ces objets avec un bon contraste et sans aucune modification de l’éclairage. Nous avons appelé cette nouvelle technique : la microscopie CONE. Nous avons découvert deux modes de mesure. Après avoir réalisé des fonctionnalisations homogènes et hétérogènes des surfaces d’or. Ces surfaces ont été utilisées en résonance plasmonique de surface (SPR) pour l’étude de fixation de protéine (adsorption et immobilisation) puis d’interaction protéine/protéine. Ces expériences ont ensuite servies de référence pour évaluer les microscopies SEEC et CONE. Par cela, nous avons prouvé que ces microscopies présentent de forts intérêts pour la détection in-situ de protéines avec un faible coût
This thesis was supported by National Agency for Research with the project: ANR PNANO-07 SEEC. The Surface Enhanced Ellipsometric Contrast (SEEC) microscopy has invented in 2000 at Le Mans (France). This technique allows the visualization of nanoscopic object between crossed analyzer and polarizer. It’s possible if some special multilayer surfaces are used. There surfaces must have the particularity to not change the polarization of light during the reflection. Until the beginning of the project the SEEC microscopy was useful only for air observations. The goal of the thesis was to adapt this technique to observe on gold surfaces immerged in water and to compare the performance of the SEEC microscopy with Surface Plasmonique Resonance (SPR) in that configuration. The SPR is a biomolecular interaction study reference technique. SEEC microscopy lateral resolution was evaluate by fluorescence microscopy. Next, we realize two model experiments monitor in parallel by SEEC microscopy and by SPR: BSA immobilization and biotinylated IgG fixation by immobilized streptavidine. To compare measurements efficiently we did a huge preparation work (surface functionalizations and microfluidic) to have exactly same conditions in both techniques.Our results show SEEC microscopy cannot replace SPR for biomolecular interaction studies but it can be used as cheap immunological diagnostic technique. This work gives the path to follow on that direction

Thesis (Ph.D)--Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2010.
Committee Chair: Griffin, Paul; Committee Member: Butera, Robert; Committee Member: Halpern, Michael; Committee Member: Nichols, Richard; Committee Member: Vidakovic, Brani. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

O fungo Pleurotus ostreatus pertence ao grupo de basidiomicetos que degradam madeira. Este cogumelo cultivado em todo mundo apresenta grande rusticidade e produtividade, e pode ainda ser usado em processos de biorremediação e biopolpação. Devido a seu potencial biotecnológico, torna-se interessante a compreensão da interação deste com outros microrganismos. Neste sentido, recentemente foi observada a presença de bactérias associadas a P. ostreatus em culturas in vitro, que apresentavam grande pleomorfismo. A partir desta observação foram elaborados ensaios que visaram a confirmação da presença de bactérias. Para tanto, foi utilizada a estratégia do “Ciclo Completo de Análise do rRNA” (full-cycle rRNA analysis) empregada em microrganismos não cultiváveis ou de crescimento fastidioso, além do emprego de técnicas de microbiologia básica, e de estudos de ultraestrutura. Os estudos de microbiologia básica indicaram que se tratava de um microrganismo fastidioso e que se desenvolvia melhor na presença do fungo em sistema de co-cultivo em meios contendo Tween 80 ou Tween 20. Por sua vez, a análise de ultraestrutura demonstrou a presença de estruturas pleomórficas, tanto internamente como externamente à hifa. Em relação ao “Ciclo completo de Análise do rRNA” este se iniciou pela amplificação e seqüenciamento de parte do rDNA bacteriano, que revelou a proximidade desta bactéria com o Complexo Burkholderia cepacia (CBC). A partir desta seqüência, foi realizado um estudo de bioinformática que indicou sondas específicas para este grupo de bactérias. Completando o Ciclo completo de Análise do rRNA, foram realizados ensaios de hibridização in situ fluorescente (FISH) para a confirmar a relação entre as estruturas bacterianas e a seqüência obtida. Este método comprovou a presença das bactérias no interior das hifas de P. ostreatus. Este trabalho constitui o primeiro relato de bactérias pleomórficas pertencente ao complexo B. cepacia associados a P. ostreatus.
The fungus Pleurotus ostreatus, which belongs to white rot basidiomycete group, is a widely cultivated mushroom; this species has high productivity and rusticity, besides its use in biobleaching and bioremediation processes. This biotechnological potential justifies microbial interaction studies between this fungi and others microorganisms. In P. ostreatus mycelia, it has been observed pleomorphic bacteria growing on agar media. This research describes several assays to confirm bacterial presence in this sample. Therefore, the full-cycle rRNA analysis (described for unculturable or fastidious microorganism), ultrastructure and basic microbiology approaches were employed. Basic microbiology approaches indicated slow growing bacteria, which grown faster near to fungi colonies in solid media amended with Tween 80 or Tween 20 (co-culture system). Ultrastructure studies confirm the presence of intracellular and extracellular pleomorphic bacteria. The full-cycle rRNA analysis started with 16S rDNA amplification and sequencing. This approach demonstrated a relation between these bacteria with Burkholderia cepacia complex. By bioinformatics analysis was determinate which DNA probes can be use to identified this bacterial group. The last step for full-cycle rRNA analysis was applying fluorescent in situ hybridization (FISH). This technique confirmed the relationship between 16S rDNA bacterial sequence and bacterial forms. This is the first time that a pleomorphic bacteria from B. cepacia complex is found associated with P. ostreatus.

Abstract : Current prenatal diagnosis depends on invasive procedures and is thus offered only to high-risk pregnancies. Development of non-invasive prenatal diagnosis (NIPD) would change the risk-benefit ratio and make it likely that more women would benefit from prenatal testing. Scientists have documented the presence of rare fetal cells in maternal blood and envisioned targeting them with specific markers and their use in NIPD. Considering their extremely low frequency in maternal blood, fetal cells have been difficult to retrieve and use in clinical practice. Therefore, there is a pressing need for systematic sequential studies to evaluate their feasibility in NIPD. Generally, detection of rare cells within a large cell population carries great potentialities for the prospects of cancer management and NIPD. Manual scanning is very cumbersome and time-consuming Therefore; the first part of our project was, dedicated to the optimization of an effective strategy to evaluate retrieval of rare cells. We have developed a way of distributing a controlled number of target cells among hundreds of thousands of other cells on microscope slides. This strategy allows the precise evaluation of the retrieval of rare events and the comparizon of the efficacy of different techniques and enrichment approaches by knowing the definite number and locations of target cells on the slides. Furthermore, it allows the evaluation of hybridization of missed events. We have also developed a robust custom-made detection algorithm for rare cells using the MetaSystems automated platform and have used this strategy in the validation of manual and automatic scanning of 60 slides with a pre-defined number of rare male cells among a pure population of female cells using XY-FISH. Consequently, we tested the developed classifier for the detection of real fetal cells from maternal blood in both normal and aneuploid pregnancies with Down syndrome. We further evaluated the number of fetal cells with different methods of enrichments in the first and second trimesters. The data collected confirmed the early presence of fetal cells in all of the pregnancies tested and their frequencies were higher in cases of aneuploidies. Fetal cells are in a state of dynamic change throughout the pregnancy. Higher numbers of these cells can be obtained by optimizing the harvest time and methods of enrichment. We found that automatic scanning is more sensitive and reliable than manual detection. Furthermore, it alleviates the burden of scanning large numbers of cells and thus is more suitable for clinical application. We also demonstrated the feasibility of using rare cells in NIPD. Five microdissected amniotic fetal cells from 26 cases of normal and aneuploid pregnancies were quite enough to provide accurate NIPD through using whole genome amplification coupled with QF-PCR. Our findings laid the ground for the use of rare fetal cells in maternal blood for NIPD. // Résumé : Le diagnostic prénatal résulte encore aujourd’hui de procédures invasives, qui présentent des risques pour la grossesse. Le développement du diagnostic prénatal non-invasif (DPNI) changerait le rapport risque : bénéfice, rendant le diagnostic prénatal plus intéressant pour les femmes enceintes. Plusieurs chercheurs ont montré la présence de cellules fœtales dans le sang maternel et des travaux ont été entrepris afin de les cibler et de les utiliser éventuellement en DPNI. Toutefois, la faible concentration des cellules fœtales dans le sang maternel réduit les possibilités d’isolement ainsi que celles de leur utilisation en clinique. Un autre aspect technique du DPNI, le balayage manuel, est très laborieux, surtout en terme de temps technique. Il y a donc un besoin certain pour des études approfondies afin d’évaluer et d’améliorer la faisabilité du DPNI. La détection d’évènements rares dans une grande population cellulaire offre un potentiel pour le diagnostic en oncologie mais aussi en diagnostic prénatal. Dans cette thèse, la première étude était dédiée à l’optimisation d’une stratégie pour détecter les cellules rares. Nous avons développé une méthode d’étalement sur lame d’un nombre précis de cellules cibles parmi des centaines de milliers de cellules. Cette stratégie a permis d’évaluer le taux de détection d’évènements rares et de comparer l’efficacité des techniques d’enrichissement en connaissant le nombre exact et la localisation de cellules cibles sur les lames. De plus, il a été possible d’évaluer les problèmes d’hybridation des évènements manqués. Nous avons, par la suite, développé un algorithme robuste pour la détection de cellules rares en utilisant la plateforme de microscopie automatisée MetaSystems et utilisé cette approche dans la validation des balayages manuel et automatique d’un nombre précis de cellules mâles parmi une large population de cellules femelles marquées avec la technique FISH. Nous avons testé ce classificateur avec des échantillons de sang de femmes enceintes de grossesses normales et aneuploïdes et évalué la fréquence de cellules fœtales isolées par différentes méthodes d’enrichissement au cours des premier et second trimestres de grossesse. Les données accumulées ont confirmé la présence de cellules fœtales chez toutes les grossesses et leur fréquence plus élevée dans les grossesses aneuploïdes. Le nombre de cellules fœtales est dynamique tout au long de la grossesse. De plus, un nombre plus élevé de cellules fœtales peut être obtenu en optimisant le moment du prélèvement et les méthodes d’enrichissement. De plus, le balayage automatique s’est avéré plus sensible et constant que le balayage manuel, ce qui permet de balayer un grand nombre de cellules et devient plus approprié pour une application clinique. Nous avons aussi montré la faisabilité d’utiliser des cellules fœtales dans le cadre du DPNI. Cinq cellules amniotiques microdisséquées, provenant de grossesses normales et aneuploïdes, ont suffi pour poser un diagnostic prénatal par une combinaison de l’amplification du génome complet et de la technique QF-PCR (réaction quantitative en fluorescence d’amplification entraînée par une polymérase) permettant la détection d’anomalies chromosomiques. Nos résultats ouvrent la voie à l’utilisation de cellules fœtales dans le sang maternel pour le DPNI.

L’objectif de cette thèse a été axé sur le développement des systèmes capable de répondre à des stimuli externes, basés sur des unités photochromiques. Le but d’une telle quête est d’augmenter la complexité des dispositifs et des machines moléculaires synthétiques. Avec l’objectif de développer des dispositifs et des machines artificiels plus complexes, nous avons réalisé de systèmes comprenant de multiples interrupteurs moléculaires. En vue de la réalisation de cette thèse, des nouveaux systèmes multi-photochromiques, où hybrides photochrome/nanomatériaux contenant des fragments azobenzène, diaryléthène ou spiropyrane ont été réalisés et étudiés. D’abord, on s’est focalisés sur des systèmes multi-azobenzènes capables de subir de grands réarrangements géométriques lors de la photoisomérisation, ils pourraient être utilisés à l'avenir comme éléments constitutifs des matériaux host-guest ou metal-organic frameworks contrôlables par des stimuli lumineux. Dans un second exemple, des commutateurs photochromiques de type dithiényléthène ont été utilisés pour déclencher l'émission d'une porphyrine. Cette dyade à montré une modulation réversible de son émission, affichant un contraste particulièrement élevé. Comme dernier exemple, un dérivé de spiropyrane a été combiné avec des nanoparticules d’or anisotropes. En induisant l'isomérisation de l’interrupteur moléculaire dans les dispersions colloïdales des nanorods d’or en liquide, nous avons visualisé une grande variation du spectre d'extinction des colloïdes, dépendante de la longueur d’onde du mode LSPR et du recouvrement spectrale avec le photoswitch
The aim of this thesis has been to develop systems capable of responding to external stimuli, based on photochromic units. The goal of such a quest is to increase the complexity of devices and synthetic molecular machines. With the goal of developing more complex artificial devices and machines, we have realised systems containing multiple molecular switches. For the realisation of this thesis, new multi-photochromic systems, or photochromes/nanomaterials hybrids containing azobenzene, diarylethene or spiropyran moieties have been realised and studied. Firstly, we focused on multi-azobenzene systems capable of undergoing large geometric rearrangements during photoisomerisation, as they may be used in the future as constituent elements of host-guest or metal-organic frameworks controllable by luminous stimuli. In a second example, dithienylethene-type photochromic switches have been used to trigger the emission of a porphyrin. This dyad exhibited a reversible modulation of its emission, displaying a particularly highly contrasted response. As a final example, a spiropyran derivative has been combined with anisotropic gold nanoparticles. By inducing the isomerisation of the molecular switch in the AuNR colloidal liquid dispersions, we visualised a large variation of the colloid extinction spectrum, dependent on the LSPR mode wavelength and the spectral overlap with the photoswitch

L'inactivation du chromosome x chez les mammiferes femelles est la mise sous silence transcriptionel d'un des deux chromosomes x. L'organisation de la chromatine du chromosome inactif (xi) est differente de celle de son homologue actif (xa) ; la nature de cette difference est inconnue. Une region contenant le gene xist (x inactive specific transcript) est indispensable au phenomene. Le travail presente ici vise a apporter de nouvelles informations a la fois sur l'organisation de la chromatine des chromosomes actifs et inactifs, et sur la fonction du gene xist. L'analyse de la structure chromatinienne des chromosome x a ete realisee en combinant l'hybridation in situ fluorescente (fish) a la microscopie confocale a balayage laser. Nous avons developpe des outils et des methodes pour evaluer la qualite des protocoles de fish, et pour ameliorer et analyser les images microscopiques numeriques. Des precautions particulieres doivent etre prises pour la quantification des resultats de fish. Dans des noyaux de fibroblastes humains feminins, les deux chromosomes x ont un volume identique mais different par la texture du marquage par fish. Des differences se retrouvent aussi au niveau du centromere. La detection in situ du transcrit xist permet la definition d'une region minimale comprenant xist, capable d'entrainer l'inactivation lors d'experiences de transgenese. L'integration en copie unique d'un transgene contenant xist, contrairement a une integration multiple, est incapable de declencher l'inactivation dans des cellules souches embryonnaires (es) differenciees murines, suggerant que des sequences essentielles a une fonction autonome de la region sont absentes, et indiquant l'existence de facettes insoupconnees du phenomene d'inactivation. Des cellules es de souris transgeniques porteuses de la region contenant le xist humain ont ete etudiees. Une courbure du chromosome cible, est induite au niveau du site d'integration ; la signification de cette courbure est incomprise.

The ability of the biological control agents (BCAs) to colonize plant tissues is an important feature involved in microbe-assisted plant protection. Plant-microbe interaction research increased especially in the last decade thanks to technological revolution. Molecular methods and the development of advanced microscopic techniques allow researchers to explore gene expression and localization of beneficial microorganisms within plants. The green fluorescent protein (GFP) and its modified version, enhanced GFP (EGFP), more adapt for expression in mammalian cells and GC-rich actinomycetes like Streptomyces, have been widely used as markers to study gene expression, as well as plant-microbe interactions. Aside fluorescent protein approaches, fluorescence in situ hybridization (FISH) is another frequently used technique to visualize microbial colonization patterns and community composition by application of specific fluorescent probes. Firstly, we transformed five Streptomyces strains, which showed strong inhibition activity against Sclerotinia sclerotiorum, with the EGFP construct by the conjugation method. The conjugation efficiencies varied between the strains, but were comparable to the reference strain. The fitness of transformed strains was similar to wild-type; the transformants maintained similar sporulation, mycelium growth rate, and the ability to produce important secondary metabolites and lytic enzymes. Secondly, two transformed strains, Streptomyces cyaneus ZEA17I, and Streptomyces sp. SW06W, were used to study lettuce colonization dynamics by seed coating method. Their spatio-temporal dynamics were determined in sterile substrate. The strains were consistently recovered from lettuce rhizosphere and inner root tissues up to six weeks. Finally, the colonization pattern of lettuce by Streptomyces cyaneus ZEA17I was examined by both EGFP and FISH approaches combined with confocal laser scanning microscopy (CLSM). For FISH-CLSM analysis, universal bacteria and Streptomyces genus specific probes were used to label S. cyaneus ZEA17I. The consistent presence of the labeled strain at the lettuce root one week after sowing showed that Streptomyces spores could rapidly germinate and produce filamentous mycelium on lettuce. S. cyaneus ZEA17I was detected also on two-week-old roots, indicating the long-term survival ability of this strain in lettuce rhizosphere. Altogether, the antagonistic activity, rhizosphere and root competence showed by the Streptomyces conferred their potential to act as BCA. Further studies on the complex host-pathogen-antagonist interactions will provide additional knowledge to understand the modes and mechanisms of Streptomyces-mediated plant protection.

L'utilisation accrue des methodes d'imagerie microscopique dans le domaine de la cancerologie, et les developpements recents des marqueurs specifiques utilises dans ce contexte ont fait naitre un besoin urgent en ce qui concerne le developpement de procedures de multi-marquages enzymatiques ou fluorescents, et leur quantification cellule a cellule. C'est dans ce contexte de mise au point methodologique qu'ont ete realises les travaux presentes dans cette these. Ils incluent les divers aspects de la standardisation de methodes de multi-marquages, l'adaptation des methodes d'imagerie pour la quantification du marquage in situ du recepteur a l'egf, et la normalisation des mesures. Les techniques developpees pour la quantification par cytometrie en image sont detaillees, faisant apparaitre les limites et les problemes eventuels rencontres, ainsi que la facon de les contourner ou de les resoudre. Ces developpements methodologiques ont ete appliques a l'etude de l'analyse quantitative in situ des recepteurs a l'egf dans les tissus animaux et humains (tumeurs mammaires), en relation avec la cinetique de proliferation de chacune des cellules (marquages ki67, brdu, agnor). L'etude de marquages simultanes des proteines ki67-agnors-egfr associes au marquage de l'adn montre qu'il devrait etre possible de preciser pour chaque cellule en cycle, dans un tissu normal ou tumoral, la relation entre la vitesse du cycle et l'expression des recepteurs a l'egf

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-06-22T12:34:18Z No. of bitstreams: 0
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Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear)
IPEN/D
Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

La spectroscopie de molécule unique joue aujourd’hui un rôle majeur dans de nombreux domaines allant de la physique fondamentale à la biologie. Dans ce contexte, mes travaux ont conduit au développement théorique et instrumental de deux méthodes d’investigation orientées vers la biologie. La première visait à caractériser la dynamique de complexation du calcium par la sonde calcique fluorescente Oregon Green Bapta5N communément employée pour l’analyse des signaux intracellulaires. Pour y parvenir, nous avons développé un dispositif expérimental de spectroscopie de corrélation de fluorescence à un et deux photons présentant une sensibilité proche de la molécule unique. Grace à ce dernier, nous avons pu étudier plusieurs aspects de la photophysique de la sonde et avons évalué ses limites ainsi que l’intérêt de l’appliquer in vivo. La seconde a consisté à développer une technique d’Hybridation In-Situ de Fluorescence (FISH) semi-quantitative afin de cartographier l’expression de gènes dans le cerveau de drosophiles adultes. Nous avons surmonté deux difficultés majeures, en obtenant, pour la première fois, des résultats reproductibles et semi-quantitatifs chez la drosophile adulte. Je présente ici une nouvelle approche où l’amplification enzymatique a été remplacée par une détection optimisée et un protocole réduisant l’impact de l’autofluorescence. Des résultats sur divers gènes exprimés dans le cerveau des drosophiles adultes y sont exposés au même titre qu’une étude visant à mieux comprendre une pathologie de retard mental. Pour conclure, j’ai mis en évidence la capacité de notre technique à résoudre des sondes uniques ce qui ouvre la voie vers de nouvelles applications
Single-molecule-like spectroscopy plays a major role in many domains, from fundamental physics to biology. In this framework, my dissertation focuses on instrumental and theoretical developments of two biological-related applications. The first experiment aims at characterizing the dynamics of calcium binding by the fluorescent calcium probe Oregon-green Bapta5N commonly employed in cell signaling analysis. To achieve it, I have developed an experimental set-up of fluorescence correlation spectroscopy that exhibits sensitivity close to that of single-molecule detection. Either monophotonic or biphotonic excitations can be used. I have investigated the several aspects of the photophysics of the probe and evaluated the interest and limitations of such an approach for future in-vivo measurements. The second one is devoted to the development of a semi-quantitative Fluorescent In-Situ Hybridization (FISH) technique for mapping gene expression in the adult drosophila brain. Two difficulties have to be solved. First, we succeeded in obtaining reproducible results with drosophila adult brain. Secondly, while most of the FISH protocols are not quantitative since they need a strong enzymatic, we achieved semi-quantitative detection of RNA probes. I will present results on a new approach for which enzymatic detection is replaced by a sensitive detection and a protocol which reduces autofluorescence contribution. Results will be presented for several genes in adult drosophila brain to validate the methods as well as an interesting application on a mental retardation disease. To conclude, I show that the method exhibits a single RNA sensitivity which opens the way to new applications

The intimate relationship between the higher-order chromatin organisation and the regulation of gene expression is increasingly attracting attention in the scientific community. Thanks to high-resolution microscopy, genome-wide molecular biology tools (3C, ChIP-on-chip), and bioinformatics, detailed structures of chromatin loops, territories, and nuclear domains are gradually emerging. However, to fully reveal a comprehensive map of nuclear organisation, some fundamental questions remain to be answered in order to fit all the pieces of the jigsaw together. The underlying mechanisms, precisely organising the interaction of the different parts of chromatin need to be understood. Previous work in our lab hypothesised and verified the “transcription factory” model for the organisation of mammalian genomes. It is widely assumed that active polymerases track along their templates as they make RNA. However, after allowing engaged polymerases to extend their transcripts in tagged precursors (e.g., Br-U or Br-UTP), and immunolabelling the now-tagged nascent RNA, active transcription units are found to be clustered in nuclei, in small and numerous sites we call “transcription factories”. Previous work suggested the transcription machinery acts both as an enzyme as well as a molecular tie that maintains chromatin loops, and the different classes of polymerases are concentrated in their own dedicated factories. This thesis aims to further characterise transcription factories. Different genes are transcribed by different classes of RNA polymerase (i.e., I, II, or III), and the resulting transcripts are processed differently (e.g., some are capped, others spliced). Do factories specialise in transcribing particular subsets of genes? This thesis developed a method using replicating minichromosomes as probes to examine whether transcription occurs in factories, and whether factories specialise in transcribing particular sets of genes. Plasmids encoding the SV40 origin of replication are transfected into COS-7 cells, where they are assembled into minichromosomes. Using RNA fluorescence in situ hybridisation (FISH), sites where minichromosomes are transcribed are visualised as discrete foci, which specialise in transcribing different groups of genes. Polymerases I, II, and III units have their own dedicated factories, and different polymerase II promoters and the presence of an intron determine the nuclear location of transcription. Using chromosome conformation capture (3C), minichromosomes with similar promoters are found in close proximity. They are also found close to similar endogenous promoters and so are likely to share factories with them. In the second part of this thesis, I used RNA FISH to confirm results obtained by tiling microarrays. Addition of tumour necrosis factor alpha (TNF alpha) to human umbilical vein endothelial cells induces an inflammatory response and the transcription of a selected sub-set of genes. My collaborators used tiling arrays to demonstrate a wave of transcription that swept along selected long genes on stimulation. RNA FISH confirmed these results, and that long introns are co-transcriptionally spliced. Results are consistent with one polymerase being engaged on an allele at any time, and with a major checkpoint that regulates polymerase escape from the first few thousand nucleotides into the long gene.

De nombreuses réactions enzymatiques sont à l’origine de processus physiologiques au sein des organismes vivants. Ces réactions sont basées sur des transferts de protons et d’électrons et con-duisent souvent à la production d’espèces secondaires. Parmi elles, les espèces réactives de l’oxygène et de l’azote (ROS, RNS) présentent un intérêt particulier puisqu’elles jouent un double rôle : d’une part en permettant à l’organisme de réagir à un stress par l’activation de voie de signalisation redox, et d’autre part ces ROS et RNS peuvent causer des dommages tissulaires et être à l’origine de dys-fonctionnement (stress oxydant) au sein de l’organisme. La haute réactivité de ces espèces induit leurs faibles durées de vie (ns-min) et rend l’étude de certaines réactions enzymatiques difficiles en solu-tion. Ce projet de thèse a pour objectif de développer un microréacteur biomimétique pour l’étude d’activités enzymatiques produisant des ROS/RNS. En effet, en confinant une réaction au sein d’un compartiment de taille équivalente à celle d’une cellule (20-100 μm de diamètre), les espèces générées (H2O2, NO•, NO2-) doivent pouvoir être sondées in situ avec une résolution cinétique et quantitative. Des vésicules unilamellaires géantes sont formées en conditions physiologiques et servent de micro-réacteurs pour l’analyse des activités enzymatiques de la glucose oxydase et des NO-synthases. La microscopie de fluorescence permet l’observation des vésicules et le suivi du déclenchement de la réaction assuré par microinjection. Les espèces produites sont ensuite détectées en temps réel par électrochimie afin de déchiffrer à terme les différentes voies enzymatiques des NO-Synthases
Enzymatic reactions are involved in many physiological phenomena in living organisms. These reactions are based on protons and electrons transfers and can lead to the production of by-products. Among them, reactive oxygen and nitrogen species (ROS and RNS) are of great interest as they play a double role: on the one hand by allowing the organism to react to a stress by the activation of signaling redox pathways, and on the other hand, ROS and RNS can cause oxidative damages to tissues ensuing dysfunctions in the organism. The high reactivity of such species induce their short lifetimes (ns-min) and leads to uncertainties when it comes to the study of some enzymatic reactions in bulk. This PhD project aims to develop a biomimetic microreactor for the study of enzymatic ac-tivities producing ROS/RNS. Indeed, by confining a reaction within a cell-sized compartment (20-100 μm diameter), the generated species (H2O2, NO•, NO2-) could be analyzed in situ with a quantita-tive and kinetic resolution. Giant unilamellar vesicles are formed in physiological conditions and are used as microreactors for the monitoring of enzymatic activities of glucose oxidase and NO-synthases. Fluorescence microscopy allows individual vesicle observation and the monitoring of reactions trig-gered by microinjection. Then, released species are detected in real-time by electrochemistry in order to decipher the diverse enzymatic pathways of NO-Synthases

Les symbioses impliquant des bactéries méthanotrophes et sulfoxydantes se rencontrent chez de nombreux mytilidés des écosystèmes marins profonds à base chimiosynthétiques pour lesquels elles jouent un rôle majeur dans la nutrition et l’adaptation à leur environnement. Ce travail de thèse a consisté à adapter et développer différentes approches basées sur le FISH (Fluorescent in situ hybrization), la microscopie et l’analyse d’images. Ces techniques ont permis l’identification de 6 types de bactéries symbiotiques sur une même coupe de filaments branchiaux de l’éspèce Idas sp. Et l’étude ultrastructurale de cette symbiose. Une technique fiable de quantification de chaque type de symbiontes présent dans les bactériocytes de certains mytilidés a confirmé l’existence de variations des populations symbiotiques de l’espèce Bathymodiolus azoricus en fonction de certaines conditions environnementales, établissant la capacité des symbiontes à s’adapter rapidement aux variations du milieu.

Título de Ingeniería en Biotecnología Molecular
Los mecanismos involucrados en el control post-transcripcional del ciclo replicativo del Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH), específicamente los eventos moleculares que permiten la interacción del ARN genómico (ARNg) viral con la maquinaria celular para su transporte, traducción o empaque dentro de la célula, aún no han sido completamente dilucidados. Actualmente existen diversas técnicas para el estudio de la localización sub-celular de ARNg, entre las que destaca RNA FISH (RNA Fluorescent in situ hybridization), método ampliamente utilizado para el estudio de la localización y cambios temporales de ARN y ribonucleoproteínas. Generalmente, en esta técnica se utilizan sondas acopladas a fluoróforos orgánicos que hibridan a regiones específicas para las que han sido diseñadas. No obstante, estas sondas presentan fotoblanqueamiento significativo, y un espectro de emisión amplio (50-100 nm), lo que limita su uso. Es por esto que surge la necesidad de recurrir a nuevas alternativas, tales como sondas acopladas a Quantum dots (QDs), los cuales en contraste con fluoróforos orgánicos poseen una vida fluorescente significativamente más larga, mayor fotoestabilidad y un amplio espectro de absorción. Considerando lo anterior, en el presente trabajo se propone la construcción de sondas específicas asociadas a QDs compuestos de Cadmio-Telurio recubiertos por Glutatión (QDs CdTe- GSH) que reconocen la región pBSK-GagPol como matriz para la transcripción in vitro, obteniendo así fragmentos de ARN, los cuales fueron desfosforilados en su extremo 5', para luego incorporarles en su lugar un fosfato γ unido a un grupo sulfhidrilo (SH). De esta forma, los transcritos de ARN fueron capaces de unirse a QDs CdTe-GSH a través de enlaces disulfuro. Generando así sondas de ARN xiii acoplada a QDs CdTe-GSH capaces de unirse al ARNg de VIH-1 en presencia y ausencia de la proteína Rev,la cual actúa como un regulador clave en el control post-transcripcional de la expresión génica viral, actuando principalmente en los procesos de exportación nuclear y traducción. De manera que en estas condiciones fue posible validar a través de experimentos de RNA FISH, el ingreso citoplasmático y nuclear de la sonda de ARN acoplada a QDs CdTe-GSH, además de una interacción específica con el ARN genómico de VIH-1. Este hecho representa la prueba de concepto de que es posible generar una sonda acoplada a QDs específica contra el ARN genómico de VIH-1, permitiendo el estudio de la expresión génica del virus, lo que también abre nuevas posibilidades para el estudio de VIH-2 u otros tipos de virus.
The mechanisms involved in the post-transcriptional control of the replicative cycle of the Human Immudeficiency Virus (HIV), specifically the molecular events allowing the interaction between the viral genomic RNA (gRNA) and the cellular machinery for the transport, translation or packaging, have not been elucidated yet. Currently, the study of localization and temporary changes of RNA and ribonucleoproteins relies mainly on RNA FISH (RNA Fluorescent in situ hybridization)-based strategies. RNA FISH uses specific hybridization probes coupled to organic fluorophores. However, these fluorescent molecules commonly present limiting characteristics such as significant photobleaching and a wide emission spectrum (50-100 nm). Therefore, a considerable demand arises for new alternatives, such as probed coupled to Quantum dots (QDs), which in contrast to organic fluorophores, exhibit longer fluorescence lifetime, higher photostability and broad absorption spectra. Considering previous facts, the aim of this work was to develop specific probes coupled to glutathione-capped cadmium-telluride quantum dots (QDs CdTe-GSH), able of recognizing and associate with the Gag-Pol region present on the HIV-1 genomic RNA (gRNA). Thus, in order to achieve this objective, the vector pBSK-GagPol was used as a template for in vitro transcription of Gag-Pol complementary RNA, which was fragmented and dephosphorylated at the 5' end, with the purpose to incorporate a γ phosphate coupled to a sulfhydryl group (SH) instead. Then, the SH-containing RNA fragments were attached to QDs CdTe-GSH by a disulfide bond. As a result, we generated single-stranded RNA probes coupled to QDs CdTe-GSH capable of hybridizing to HIV-1 gRNA in the presence and absence of the viral protein Rev, which acts as a key regulator of the post-transcriptional control of viral gene expression acting mainly during nuclear export and translation. Thereby, under these conditions, we validated the cytoplasmic and nuclear entrance of the probe coupled to Qds CdTe-GSH, and specific interaction between the probe and gRNA of HIV-1. This fact represents the proof of concept that it is possible to generate RNA probes coupled to QDs CdTe-GSH to study genetic expression of HIV-1, and also opens up new opportunities for the study of HIV-2 or other virus types.

Ce travail porte sur l’étude électrochimique et par microscopie de fluorescence in situ de l’auto-assemblage, sur électrode d’or, de monocouches d’aptamères peptidiques de la protéine p53 en vue de la détection de la protéine MDM2. L’utilisation de nouvelles sondes de reconnaissance moléculaire telles que les aptamères peptidiques a été considérée en tant qu’alternative à l’utilisation d’anticorps. Les aptamères peptidiques sont des séquences synthétiques de peptide se liant à la protéine cible avec une affinité et une spécificité élevées. La première partie de ce travail porte sur l’étude électrochimique de l’interface modifiée résultant de diverses procédures d’immobilisation. Des mesures en présence du marqueur rédox [Ru(NH3)6]3+ ont démontré l’immobilisation de la sonde peptidique à la surface d’or et ont permis l’évaluation relative de la densité de sondes adsorbées à la surface respectivement à la méthode d’immobilisation considérée. Par ailleurs, des mesures en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- ont mis en évidence une inhibition drastique du transfert d’électron dans le cas de monocouches composées exclusivement du peptide. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la détection de la protéine MDM2. Trois interfaces modifiées ont été envisagées soit deux monocouches mixtes de peptide et de 4-mercaptobutan-1-ol, ce dernier jouant le rôle de diluant, adsorbés en une ou en deux étape(s), et une monocouche uniquement composée de peptide. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- comme méthode de détection a mis en exergue la pertinence de cette dernière interface pour la détection. En effet, l’inhibition du transfert d’électron préalablement identifiée est fortement amoindrie suite à l’interaction avec la protéine cible. Une gamme de détection s’étendant de ~1 à 60 ng mL-1 et une limite de détection de 0,69 ng mL-1 ont été obtenues. Cette performance est comparable à celle des kits ELISA commerciaux. La fiabilité et la spécificité de la réponse ont été vérifiées par le biais de contrôles négatifs sur trois protéines, en l’occurrence le fibrinogène, le cytochrome c et l’albumine de sérum bovin, et validées par des mesures complémentaires de microbalance à cristal de quartz.La troisième partie de ce travail est consacrée à l’étude, par microscopie de fluorescence in situ, de l’organisation de la monocouche résultant des trois procédures d’auto-assemblage précitées. Ces mesures ont permis la mise en évidence d’une distribution hétérogène de la densité en sondes, et plus particulièrement la présence d’agrégats. Ceux-ci ne peuvent être désorbés de la surface par l’application de potentiels même très négatifs (-1,450 V vs Ag
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les ARNs non codants sont des régulateurs de l'expression génétique à plusieurs niveaux. Chez la bactérie et chez la souris, des ARNs non codants (6S et B2) ont la propriété de se lier à l'ARN polymérase et d'inhiber son activité. Afin de déterminer si l'ARN polymérase II (RNAPII) humaine était associée à des ARNs non codants, une immunoprécipitation anti-RNAPII a été réalisée sur des cellules HeLa mitotiques. Les ARNs co-immunoprécipités ont été purifiés et marqués et l'ARN U1 s'est trouvé particulièrement enrichi par rapport au contrôle. Cette co-immunoprécipitation reflète l'association de la snRNP U1 avec la RNAPII. Pour vérifier cette association sur un site de transcription actif, des lignées ont été établies avec l'insertion en multiples copies d'un gène à un site unique, créant ainsi un unique super site de transcription visualisable par FISH (Fluorescence In Situ Hybridization). Deux lignées distinctes ont été créées, l'une avec un gène comportant un intron, l'autre avec le même gène où l'intron comporte trois mutations ponctuelles abolissant l'épissage. Alors que les snARNs U2, U4, U5 et U6 sont absents du site non épissé, l'ARN U1 est enrichi de la même façon indépendamment de l'épissage. La présence des protéines spécifiques de la snRNP U1 indique que la snRNP U1 est recrutée au complet au site de transcription. Ces résultats laissent supposer un rôle pour l'association RNAPII - U1snRNP dans l'épissage cotranscriptionnel.

碩士
國防醫學院
病理及寄生蟲學研究所
85
Medulloblastoma and neuroblastoma are both nervous system malignant tumors of children. The medulloblastomas arises mainly in vermis of cerebellum and fourth ventricle, most seen in children of 3 to 5 years old. Instable gait, headache and vomitting are main symptoms clinically. The mudelloblastoma would obstruct the tract of cerebro-spinal fluid flow, so it cause obstructive hydrocephalus and increased intracranial pressure(IICP); even cause lower back pain, weakness and numbness of lower limbs due to spinal metastasis. Operational resection with Co-60(gamma ray) radiotherapy are main treatments. Neuroblastoma arises from neural crest, so it can be found in sympathetic chain from neck to pelvis, or adrenal medulla. Most of them are found as abdominal tumor when bathing. Neck is another common location. The tumor is highly malignant, but it would undergo as more benign histological patterns, even disappear. Operational resection combined with chemotherapy or linear accelerator(X-ray) are main threaternt methods. There are many studies in other malignant tumors about the relations between prognosis and immunohistochemical marker stains, oncoprotein, DNA index by flow fytometry, gene amplification by fluorescence in situ hybridization(FISH) and ultrastructures by electrical microscopy. But medulloblastoma and nruroblastoma are not common, prediction of prognostic factors is necessary. We studied the medulloblastoma(6 cases)and neuroblastoma(7 cases) retrospectly from 1988 till 1996 in Tri-Service General Hospital. These formalin-fixed, paraffinnembedded blocks are preserved in the Department of Pathology. The experimental results showed: In medulloblastoma, higher stages have smaller survival rate and time. In T2 stage patients, arrangements of survival time is M0>M3>M1>M2. Younger than 2 years old and female patients have better 5-year survival rate. We arrange the DNA index with ascending type. Middle ranges of DNA index have longer survival time and higher PCNA index, but peaks of both them are not compatible, higher PCNA index is related with shorter survival time. Vascular index has the ascending tendency with DNA index, lower vascular index has higher PCNA index. We found 2 patients are young men, accompanied with extensive intramedullary metastasis, they died 29 and 21 months later seperately. In neuroblastoma, patients younger than 2 years old have better survival rate. We arrange the DNA index with ascending type. Middle ranges of DNA index have shorter survival time, curves of vascular index are similar to survival curve. Middle ranges of DNA index have higher PCNA index, patients with higher PCNA index have shorter survival time. We observed neuroblastoma cell line IMR-32 by transmission electron microscope and found numerous microvilli and rough endoplasmic reticulum. Many free ribosomes were also found. Some dense vehicles in nucleoli indicated active synthetic function. And the outlook of the cultured cells presented long-spindle shape.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI)
The sympathetic nervous system strongly modulates the contractile and electrical function of the heart. The anatomical underpinnings that enable a spatially and temporally coordinated dissemination of sympathetic signals within the cardiac tissue are only incompletely characterized. In this work we took the first step of unraveling the in situ 3D microarchitecture of the cardiac sympathetic nervous system. Using a combination of two-photon excitation fluorescence microscopy and computer-assisted image analyses, we reconstructed the sympathetic network in a portion of the left ventricular epicardium from adult transgenic mice expressing a fluorescent reporter protein in all peripheral sympathetic neurons. The reconstruction revealed several organizational principles of the local sympathetic tree that synergize to enable a coordinated and efficient signal transfer to the target tissue. First, synaptic boutons are aligned with high density along much of axon-cell contacts. Second, axon segments are oriented parallel to the main, i.e., longitudinal, axes of their apposed cardiomyocytes, optimizing the frequency of transmitter release sites per axon/per cardiomyocyte. Third, the local network was partitioned into branched and/or looped sub-trees which extended both radially and tangentially through the image volume. Fourth, sub-trees arrange to not much overlap, giving rise to multiple annexed innervation domains of variable complexity and configuration. The sympathetic network in the epicardial border zone of a chronic myocardial infarction was observed to undergo substantive remodeling, which included almost complete loss of fibers at depths >10 µm from the surface, spatially heterogeneous gain of axons, irregularly shaped synaptic boutons, and formation of axonal plexuses composed of nested loops of variable length. In conclusion, we provide, to the best of our knowledge, the first in situ 3D reconstruction of the local cardiac sympathetic network in normal and injured mammalian myocardium. Mapping the sympathetic network connectivity will aid in elucidating its role in sympathetic signal transmisson and processing.

碩士
東海大學
化學系
104
In this study, using the molecular beacon for microRNA hsa-miR-10b hybridization in cells, and improving the sensitivity by Highly inclined and laminated optical sheet (HILO) microscopy. We could distinguish the expression of hsa-miR-10b from different images of hepatocellular carcinoma cells. These results are in agreement with the reverse transcription real-time quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR), overcoming the problems from miscarriage of low concentrations (< 100 fM). Finally, we simultaneously detect hsa-miR-10b and U6 snRNA by two different molecular beacon and multiple sources. We are able to relative quantification of hsa-miR-10b from hepatocellular carcinoma cells by fluorescence in situ hybridization combined with HILO microscopy. The method does not need any extraction step and sequence replication. It could be applied to detect and stage of cancer by analyzing expression of microRNA from different images. The second part is focus on the separation of chromosomes by capillary electrophoresis with laser-induced fluorescence. We are able to make the cells remain in metaphase by treating colcemid. Observing on the microscope and injecting a single-cell into the capillary by siphon injector way. Then, using Lysis Buffer digest the cell membrane and separate chromosomes. We could clearly observe a single chromosome on image by ultrasonic vibration the cells of fixing in methanol with acetic acid. We are able to labeled chromosome 1 by fluorescent probe. We hope that we could separate chromosomes and nuclear debris in the future, so that we can accurately analyze specific chromosome by electrophoresis.

One the most daunting technical challenges in the realization of biosensors is functionalizing transducing surfaces for the detection of biomolecules. Functionalization is defined as the formation of a bio-compatible interface on the transducing surfaces of bio-chemical sensors for immobilizing and subsequent sensing of biomolecules. The kinetics of functionalization reactions is a particularly important issue, since conventional functionalization protocols are associated with lengthy process times, from hours to days. The objective of this thesis is the improvement of the functionalization protocols and their kinetics for biosensing applications. This objective is realized via modeling and experimental verification of novel functionalization techniques in microfluidic environments. The improved functionalization protocols using microfluidic environments enable in-situ functionalization, which reduces the processing times and the amount of reagents consumed, compared to conventional methods. The functionalization is performed using self-assembled monolayers (SAMs) of thiols. The thiols are organic compounds with a sulphur group that assists in the chemisorption of the thiol to the surface of metals like gold. The two reactions in the functionalization process examined in this thesis are the SAM formation and the SAM/probe molecule conjugation. SAM/probe molecule conjugation is the chemical treatment of the SAM followed by the binding of the probe molecule to the SAM. In general, the probe molecule is selective in binding with a given biomolecule, called the target molecule. Within this thesis, the probe molecule is an antibody and the target molecule is an antigen. The kinetics of the reaction between the probe (antibody) and the target biomolecule (antigen) is also studied. The reaction between an antigen and its antibody is called the immunoreaction. The biosensing technique that utilizes the immunoreaction is immunoassay. A numerical model is constructed using the finite element method (FEM), and is used to study the kinetics of the functionalization reactions. The aim of the kinetic studies is to achieve both minimal process times and reagents consumption. The impact of several important parameters on the kinetics of the reactions is investigated, and the trends observed are explained using kinetic descriptive dimensionless numbers, such as the Damköhler number and the Peclet number. Careful numerical modeling of the reactions contributes to a number of findings. A considerably faster than conventional SAM formation protocol is predicted. This fast-SAM protocol is capable of reducing the process times from the conventional 24-hours to 15 minutes. The numerical simulations also predict that conventional conjugation protocols result in the overexposure of the SAM and the probe molecule to the conjugation reagents. This overexposure consequently lowers conjugation efficiencies. The immunoreaction kinetics of a 70 kilo-Dalton heat shock protein (HSP70) with its antibody in a hypothetical microchannel is also investigated through the FEM simulations. Optimal reaction conditions are determined, including the flow velocity and the surface concentration of the immobilized probes (antibodies). Based on the numerical results and a series of experimental studies, the fast-SAM protocol application is successfully confirmed. Moreover, the optimum reagent concentration for a given one- hour conjugation process time is determined. This functionalization protocol is successfully applied to immobilize the HSP70 antibody on gold surfaces. The use of the fast-SAM protocol and the predicted optimum conjugation conditions result in binding of the HSP70 antibody on gold, with the same or superior immobilization quality, compared to the conventional protocols. Upon implementation of a 70 μm.s^(-1) flow velocity, the reaction is observed to complete in around 30-35 minutes, which is close to the numerically predicted 30 minutes and 16 seconds. This immunoreaction time is considerably less than conventional 4-12 hour processes. The modified in-situ functionalization techniques achieved here are promising for substantially reducing the preparation times and improving the performance of biosensors, in general, and immunoassays, in particular.