Rozprawy doktorskie na temat „Transition biophysique”

Cette thèse décrit la réalisation d’un nanocalorimètre dynamique différentiel pour l’étude de la transition vitreuse. Le capteur microfabriqué, la chaine de mesure de bas niveau de bruit et de grande stabilité, ainsi que l’environnement thermique du capteur sont décrits en détails. La méthode de mesure utilisée est une méthode fréquentielle dans laquelle l’amplitude et la phase de la température oscillante sont mesurées avec une grande résolution. La résolution du nanocalorimètre sur le module de la capacité calorifique complexe est de ∆|C_p^* |/|C_p^* |  ± 0,001 %, et sur la phase de l’oscillation de température est de ∆φ/φ  ± 0,0005 %. La résolution est environ mille fois plus élevée que celle des calorimètres à modulation de température commerciaux. Les potentialités du nanocalorimètre pour l’étude d’effets thermodynamiques et cinétiques fins sont démontrées sur un modèle de polymère vitreux, le poly(acétate de vinyle). Des effets nouveaux et trop tenus pour être détectés avec des calorimètres classiques ont été mesurés. Le module de la capacité calorifique complexe et la phase de l’oscillation de température présentent des relaxations temporelles de faible variation dans l’état de liquide surfondu comme dans l’état vitreux. De plus, le dégel des degrés de libertés internes structuraux du polymère peut, suivant l’histoire thermique suivie par le matériau, se réaliser en deux étapes lors du réchauffement. Ce double dégel n’est visible que sur la dérivée en température du module de la capacité calorifique complexe. En conclusion, la résolution, la stabilité et la répétabilité du nanocalorimètre sont particulièrement adaptées à des mesures nanocalorimétriques fines pour l’étude thermodynamique et cinétique de systèmes complexes hors équilibres dont les verres font partie
This thesis reports the working principle and the building up of a dynamic differential nanocalorimeter to the study of the glass transition. The micro-fabricated sensor, the low noise and highly stable measurement chain, as well as the thermal environment of the sensor are described in details. The measurement method is a spectroscopic method in which the amplitude and phase of the oscillating temperature are measured with a high resolution at different frequencies. The resolution of the nanocalorimeter on the measurement of the complex heat capacity module is ∆|C_p^* |/|C_p^* |  ± 0,001 %, and on the phase of the temperature oscillation is ∆φ/φ  ± 0, 0005 %. This resolution is about one thousand times higher than that of the commercial temperature modulated calorimeters. The potentialities of the nanocalorimeter for the study of fine thermodynamic and kinetic effects are demonstrated on a model of glassy polymer, the poly(vinyl acetate). New effects which are too fine to be detected by conventional calorimeters have been measured. The modulus of the complex heat capacity and the phase of the temperature oscillation exhibit small relaxational effects of low amplitude either in the super-cooled liquid state or in the glassy state. In addition, according to the thermal history followed by the material, the structural recovery of this polymer can take place in two steps during the heating. These two steps are visible only on the temperature derivative of the modulus of the complex heat capacity. In conclusion, resolution, stability and repeatability of the nanocalorimeter are particularly suitable for fine thermodynamic and kinetic study on out of equilibrium complex systems such as glasses

Les méthodes d’amélioration des procédures de cryoconservation sont traditionnellement basées sur l’empirisme. Pour s’en démarquer, nous sommes repartis des modèles biophysiques développés pour décrire les procédures en s’appuyant sur 2 méthodes. La 1ère méthode a consisté au développement de techniques de simulation des procédures en caractérisant l’utilisation du Snomax dans l’appareil DSC. Nous avons montré que le contrôle de la température de nucléation (Tn) est possible en choisissant les conditions expérimentales (volume d’échantillon et concentration en Snomax) qui influencent les probabilités de présence de 3 sous-populations d’INA des protéines de P. syringae. La possibilité d’effectuer des simulations a pu être validée pour certaines plages de surfusion dans les solutions de cryoconservation. Ceci a permis la caractérisation des effets physiques influencés par Tn et qui interviennent au cours des procédures et d’alimenter les modèles biophysiques de cryoconservation. La 2ème méthode a consisté à la modification de la composition des solutions afin de réduire le recours au DMSO (cytotoxique) en utilisant des composés de type oligosaccharides : les COS. Après vérification de la biocompatibilité des COS avec des cellules embryonnaires, la caractérisation de l’influence thermodynamique des COS a été effectuée. Il a été montré que les COS sont des cryostabilisateurs qui se lient à une petite quantité de molécule d’eau et n’en affecte pas les propriétés physicochimiques. Les COS peuvent donc être introduits dans le milieu extracellulaire sans risque d’accélérer la déshydratation cellulaire. De plus, il a été montré qu’ils favorisent la gélification du milieu extracellulaire, laquelle est fonction de la proportion massique d’eau en solution résiduelle. Cette gélification fige une partie du système ce qui favorise sa stabilisation au passage des zones de températures à risques de recristallisation
We wished to move aside classical cryopreservation procedure improvements that are based on empiricism and to focus on existing biophysical models in order to describe procedures. We based our study on two methods. The first method consisted in developing the methods for the simulations of procedures, by characterizing the use of Snomax in a DSC device. This study highlighted that the nucleation temperature (Tn) control is possible under precise experimental conditions (sample volume and Snomax concentration) that influence the presence probability of 3 INA subpopulations of the P. syringae protein aggregates. The possibility to simulate the cryopreservation procedures has been achieved for some supercooling ranges within complex cryopreservation solutions. Consequently, it has been possible to characterize the physical effects influenced by Tn and involved within procedures. These results will participate in supplying cryopreservation biophysical models. The second method aimed to modify the composition of cryopreservative solutions in order to reduce the DMSO use (because of its cytotoxicity), using extracellular CPA components: the chitooligosaccharides COS. Subsequent to the biocompatibility verification of the COS with embryonic cells, the thermodynamic influence of the COS has been characterized. Therefore, it has been demonstrated that COS are cryostabilizers that link themselves to a small number of water molecules and does not influence its physicochemical properties. Consequently, COS can be added within the extracellular space without any risk to accelerate the cell dehydration. It has been demonstrated that COS favor the gelation of the extracellular space and that this gelation relies on the mass proportion of water in the residual solution. This gelation immobilizes a part of the system and therefore favor its stabilization when the temperature reaches the risky recrystallization range

Dans cette thèse un modèle très simple de l'ADN est introduit. Il représente la double hélice de Watson et Crick (ADN B) avec deux degrés de liberté pour chaque paire de bases: le rayon de la paire et son angle de rotation hélicoi͏̈dal. Les solutions de petites amplitudes de la dynamique non linéaire du modèle à température nulle sont des ouvertures couplées avec des déroulements, localisées et qui se propagent le long de la double hélice. Une approche a été developpée sur ce modèle pour étudier les modes collectifs de vibration de la double hélice d'ADN b en solution et a température ambiante. Les résultats obtenus, en particulier le spectre, les relations de dispersion et la longueur de cohérence des modes sont compares avec les données de spectroscopie Raman et de diffusion de neutrons. La mécanique statistique du modeler, grâce à la méthode de l'intégrale de transfert, permet d'étudier la transition de dénaturation. On décrit cette dernière comme une transition de phase du premier ordre, de la phase fermée ADN B a la phase ouverte ADN D, qui peut être induite par l'augmentation de la température t ou par un couple de torsion t applique sur un bout de la molécule en tenant l'autre bout fixe. La région de coexistence des phases ADN B et ADN D est paramétrisée par le degré de déroulement de l'hélice. On obtient en fonction de T, l'énergie libre de dénaturation, le diagramme de phase dans le plan T, et les isothermes dans le plan. Ces résultats sont en bon accord avec les données expérimentales classiques obtenues sur une solution de molécules d'ADN (par l'électrophorèse sur gel, des mesures calorimétriques et par la spectroscopie UV) et avec les données, récemment obtenues par la micromanipulation d'une seule molécule d'ADN soumise a une force de tension et un couple de torsion.

Nous avons développé une méthode pour étudier la structure de molécules d’ADN étirées mécaniquement. Les échantillons sont des films d’ADN constitués de macromolécules bien orientées et produits par un procédé de filage en milieu humide. Du fait que les molécules sont déjà orientées à la fabrication, les forces appliquées par la suite peuvent directement induire des transitions structurales. La transmission des forces entre molécules voisines est possible grâce à la réticulation par le formaldéhyde, l’éther diglycidique d’éthylène glycol ou des bis-intercalants. L’efficacité des produits réticulants est testée par électrophorèse en gel et en étudiant les propriétés élastiques des films d’ADN traités. Nous avons, pour la première fois, donné une preuve de la réticulation intermoléculaire d’ADN par le formaldéhyde. La structure du complexe ADN-formaldéhyde a été caractérisée par diffusion Raman, ce qui nous a permis de distinguer entre réticulation et dénaturation. Le maintien à une valeur constante et à un niveau assez élevé de l’humidité relative des films se traduit dans les échantillons par la présence d’ADN sous la forme B. La dynamique à basses fréquences pendant l’hydratation et la déshydratation sont suivies par spectroscopie terahertz résolue en temps. Nous avons observé pour la première fois des différences en transmission selon l’orientation, parallèle ou perpendiculaire au champ électrique terahertz, des films. Les temps caractéristiques de la transition de la forme A vers la forme B des échantillons sont confirmés par les résultats de la diffusion Raman. L’inclinaison des paires de base pendant l’étirement des films d’ADN est étudiée par biréfringence. Dans le cas des films réticulés, la biréfringence décroît. Le changement de distance entre les paires de base est mesuré par diffraction X. Nous avons observé des réflexions inconnues et discutons les possibles interprétations physiques et structurales. Un reflet méridional qui correspond à une périodicité de 7,4Å provient probablement d’une conformation étirée et non-hélicoïdale. Le reflet disparaît quand on réduit l’humidité relative et que l’on déshydrate l’échantillon. Nous avons montré que l’enchevêtrement des molécules d’ADN dans les films induit un certain degré de «réticulation», en accord avec ce qui a été rapporté dans la littérature. L’augmentation du débit pendant le filage en milieu humide permet de commencer à étirer l’ADN.

Thèse de doctorat : Physique : Strasbourg 1 : 2007. Thèse de doctorat : Physique : Konstanz - Allemagne : 2007.
Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 135-148.

Ce travail de cette thèse porte sur la dynamique des protéines, accompagnées de leur eau d'hydratation, une couche de solvant autour des protéines vitale pour leur fonction biologique. Chacune de ces deux composantes s'accompagne d'une dynamique qui lui est propre et dont la réunion reforme le paysage énergétique du système biologiquement actif. La mise en application conjointe de la deutération sélective, de la diffusion incohérente de neutrons ainsi que la spectroscopie terahertz a permis d'explorer de manière indépendante la dynamique des protéines et de celles des couches d'hydratation. L'influence de l'état de repliement de la protéine sur sa dynamique a été étudié par diffusion élastique de neutrons. Les protéines globulaires se sont montrées moins dynamiques que ses analogues intrinsèquement désordonnées. Eux même semblent être plus rigides que les protéines dépliées non physiologiques. L'état d'oligomérisation et les conséquences sur la dynamique de ces protéines ont été développés. Les agrégats d'une protéine globulaire se sont avérés être plus flexibles que la forme soluble. A l'inverse, les agrégats d'une protéine désordonnée voient leur dynamique moyenne baisser par rapport à la forme soluble. Ces observations témoignent de la grande diversité de dynamiques à travers le protéome. Les expériences de diffusion incohérente de neutrons sur les couches d'hydratation des protéines globulaires et désordonnées ont permis d'obtenir des informations sur la nature des mouvements de l'eau autour des protéines. Les mesures ont mis en évidence la présence de mouvements translationnels concomitants à l'apparition de la transition dynamique dans les couches d'hydratations, vers 220 K. Les mesures ont de même montré un couplage plus fort entre une protéine désordonnée et son eau d'hydratation que celui entre une protéine globulaire et son eau d'hydratation. La nature de la couche d'hydratation et son influence sur sa dynamique ont été explorés, avec l'utilisation de polymères qui miment le comportement de l'eau et agissent comme source de flexibilité pour la protéine. Pour terminer, la dynamique des groupements méthyles, impliqués dans les modifications dynamiques observées à 150 et 220 K, a été étudiée
This thesis work focused on the dynamics of proteins, surrounded by their hydration layer, a water shell around the protein vital for its biological function. Each of these components is accompanied by a specific dynamics which union reforms the complex energy landscape of the system. The joint implementation of selective deuteration, incoherent neutron scattering and terahertz spectroscopy allowed to explore the dynamics of proteins and that of the hydration shell. The influence of the folding state of protein on its dynamics has been studied by elastic neutron scattering. Globular proteins were less dynamic than its intrinsically disordered analogues. Themselves appear to be stiffer than non physiological unfolded proteins. The oligomerization state and the consequences on the dynamics were investigated. Aggregates of a globular protein proved to be more flexible than the soluble form. In contrast, aggregates of a disordered protein showed lower average dynamics compared to the soluble form. These observations demonstrate the wide range of dynamics among the proteome. Incoherent neutron scattering experiences on the hydration layer of globular and disordered proteins have yielded information on the nature of water motion around these proteins. The measurements revealed the presence of translational motions concomitant with the onset of the transition dynamics of hydration layers, at 220 K. Measurements have also shown a stronger coupling between a disordered protein and its hydration water, compared to a globular protein and its hydration shell. The nature of the hydration layer and its influence on its dynamics has been explored with the use of polymers that mimic the water behavior and that act as a source of flexibility for the protein. Eventually, the dynamics of methyl groups involved in the dynamical changes observed at 150 and 220 K, was investigated

La forêt amazonienne joue un rôle essentiel en tant que régulateur du système climatique et principal puits de carbone terrestre. Il contrôle les processus hydroclimatiques et atténue les effets des sécheresses grâce au couplage végétation-atmosphère. En fait, les forêts amazoniennes peuvent potentiellement affecter les régimes de précipitations grâce à des processus biophysiques tels que le recyclage de l'eau. Cependant, ces capacités ont été réduites au cours des dernières décennies en raison des perturbations du système climat-végétation ainsi que de l'intensification des sécheresses. Cela a accentué un processus de transition biophysique d'un écosystème à prédominance forestière vers une savane. Par conséquent, compte tenu de ces complexités, il est extrêmement important de comprendre la direction des changements.À l'aide de plusieurs ensembles de données et du modèle couplé ORCHIDEE-LMDZ, cette thèse approfondit l'étude des interactions entre l'hydroclimatologie et la végétation amazonienne. En outre, il cherche à élargir notre compréhension des modifications du système végétation-atmosphère et de ses liens avec le climat et des changements du LULC. De même, en tenant compte des taux croissants de déforestation, il étudie les effets et les rétroactions résultant d'un scénario de perte forestière à grande échelle sur les processus hydrologiques.Les résultats montrent que, dans le sud-ouest de l'Amazonie, les forêts passant d'un état influencé par la disponibilité énergétique à un état dépendant de la disponibilité en eau tout au long de l'année. Pendant la saison des pluies, la croissance de la végétation est principalement influencée par la disponibilité en énergie plutôt que par la disponibilité en eau. Cependant, en dehors de cette période, les forêts réagissent positivement aux précipitations et au stockage terrestre de l'eau, ce qui suggère que la végétation dépend principalement de l'approvisionnement hydrique. Toutefois, une analyse spatiale révèle que la déforestation récente modifie ces transitions et déstabilise l'équilibre naturel du système climat-végétation.La nature de ces déséquilibres en Amazonie n'est pas complètement claire. En examinant les liens entre les flux d'eau/énergie et les conditions de végétation, nous explorons si ces changements sont inhérents au climat ou résultent de processus anthropiques. 67% du sud-ouest a connu une transition vers un état majoritairement sec en raison du climat (forçage externe), tandis que 21% a connu une transition vers un état dominé par la déforestation (forçage interne). Cependant, les moteurs externes et internes entraînent simultanément des changements. En quantifiant les forçages, nous montrons que les synergies ont amené 74% du sud-ouest de l'Amazonie à un état de stress hydrique élevé. Or, ces dernières années, 30% des changements sont strictement dominés par des forçages internes. Cela suggère que les processus internes jouent un rôle croissant dans la transition vers des états caractérisés par un stress hydrique forestier élevé, particulièrement là où la déforestation et la pression anthropique augmentent.À l'aide du modèle couplé ORCHIDEE-LMDZ, les effets de la déforestation projetée de l'Amazonie d'ici 2050 sur le cycle de l'eau et la sécheresse sont examinés. La déforestation diminue les précipitations, réduit l'évapotranspiration et augmente le ruissellement. De plus, elle accentue le stress hydrique, notamment dans le sud-ouest de l'Amazonie (retour positif). La demande en eau dans l'atmosphère, à la surface et même dans la zone racinaire du sol s'intensifie pendant la saison sèche. Pendant la saison des pluies, le déficit d'humidité atmosphérique devient encore plus aigu vers les Andes tropicales, sur la région de l'Altiplano. Ces résultats permettent de mieux comprendre les effets possibles du déboisement massif sur la disponibilité en eau et la résilience de l'Amazonie dans un contexte où les changements se produisent à un rythme accéléré
The Amazon rainforest plays a vital role by functioning as a regulator of the climate system and as the main terrestrial carbon sink. It drives hydroclimatic processes and mitigates the effects of droughts through vegetation-atmosphere coupling. Indeed, Amazon forests have the potential to impact rainfall patterns through biophysical processes like water recycling. However, these capacities have been reduced during the last decades due to disturbances in the climate-vegetation system together with the intensification of droughts. All this has accentuated a process of biophysical transition from a predominantly forested ecosystem to a Savanna. Therefore, given these complexities, understanding the direction of changes is of vital importance.Using multiple datasets and the coupled ORCHIDEE and LMDZ models, this thesis delves into the study of the interactions between Amazon hydroclimatology and vegetation. In addition, it seeks to expand our understanding of modifications in the vegetation-atmosphere system and its links with climate and LULC changes. Likewise, taking into account the increasing rates of deforestation, it investigates the effects and feedback resulting from a large-scale forest loss scenario on hydrological processes.The results show that, over the southwestern Amazon, forests undergo a transition from being influenced by energy availability to depending on water availability throughout the year. During the rainy season, vegetation growth is primarily influenced by energy availability rather than water availability. Nevertheless, outside of this period, forests respond positively to precipitation and terrestrial water storage, suggesting that vegetation is primarily dependent on water supply. However, a spatial analysis reveals that recent deforestation modifies these transitions and destabilizes the natural balance in the climate-vegetation system.The nature of these imbalances in the Amazon is not entirely clarified. Through an approach based on the relationships of water/energy fluxes and vegetation conditions over the last four decades, it is explored whether these changes are intrinsic to climate variability or are driven by anthropogenic processes. 67% of the southwestern Amazon has experienced a transition towards a predominantly dry state due to climatic factors (external forcing), while 21% has transitioned towards a state dominated by deforestation (internal forcing). However, external and internal forcings are not independent processes, as both mechanisms drive changes simultaneously. By weighing the magnitudes of these forcings, we show that the synergies have led 74% of the southwestern Amazon toward a state of greater water stress. Nevertheless, during recent years, although combined external-internal processes continue to exert significant control over changes, 30% of these are strictly dominated by internal forcing. This suggests that internal processes are playing an increasingly relevant role in the transition towards a state characterized by high forest water stress, especially in areas where deforestation and anthropogenic pressure are increasing.Using the coupled ORCHIDEE and LMDZ models, the effects of projected Amazon deforestation by 2050 on the hydrological cycle and dryness are examined. Deforestation decreases precipitation, reduces evapotranspiration and increases runoff. Furthermore, deforestation accentuates water stress especially in the southwestern Amazon (positive feedback). Water demands in the atmosphere, on the land surface and even in the soil root zone intensify during the dry season. During the wet season, the deficit of specific atmospheric humidity becomes even more acute towards the tropical Andes over the Altiplano region. These findings provide a more thorough understanding of the possible effects of massive forest removal on the water availability and resilience of the Amazon in a context where changes are occurring at an accelerated rate

Ce travail de cette thèse porte sur la dynamique des protéines, accompagnées de leur eau d'hydratation, une couche de solvant autour des protéines vitale pour leur fonction biologique. Chacune de ces deux composantes s'accompagne d'une dynamique qui lui est propre et dont la réunion reforme le paysage énergétique du système biologiquement actif. La mise en application conjointe de la deutération sélective, de la diffusion incohérente de neutrons ainsi que la spectroscopie terahertz a permis d'explorer de manière indépendante la dynamique des protéines et de celles des couches d'hydratation. L'influence de l'état de repliement de la protéine sur sa dynamique a été étudié par diffusion élastique de neutrons. Les protéines globulaires se sont montrées moins dynamiques que ses analogues intrinsèquement désordonnées. Eux même semblent être plus rigides que les protéines dépliées non physiologiques. L'état d'oligomérisation et les conséquences sur la dynamique de ces protéines ont été développés. Les agrégats d'une protéine globulaire se sont avérés être plus flexibles que la forme soluble. A l'inverse, les agrégats d'une protéine désordonnée voient leur dynamique moyenne baisser par rapport à la forme soluble. Ces observations témoignent de la grande diversité de dynamiques à travers le protéome. Les expériences de diffusion incohérente de neutrons sur les couches d'hydratation des protéines globulaires et désordonnées ont permis d'obtenir des informations sur la nature des mouvements de l'eau autour des protéines. Les mesures ont mis en évidence la présence de mouvements translationnels concomitants à l'apparition de la transition dynamique dans les couches d'hydratations, vers 220 K. Les mesures ont de même montré un couplage plus fort entre une protéine désordonnée et son eau d'hydratation que celui entre une protéine globulaire et son eau d'hydratation. La nature de la couche d'hydratation et son influence sur sa dynamique ont été explorés, avec l'utilisation de polymères qui miment le comportement de l'eau et agissent comme source de flexibilité pour la protéine. Pour terminer, la dynamique des groupements méthyles, impliqués dans les modifications dynamiques observées à 150 et 220 K, a été étudiée.