The mechanism of gene regulation used by Gram-negative bacteria during quorum sensing is well understood in the bioluminescent marine bacterium Vibrio fischeri. The cell-density dependent activation of the luminescence (lux) genes of V. fischeri relies on the formation of a complex between the autoinducer molecule, N-(3-oxohexanoyl) homoserine lactone, and the autoinducer-dependent transcriptional activator LuxR. LuxR, a 250 amino acid polypeptide, binds to a site known as the lux box centered at position -42.5 relative to the luxI transcriptional start site. During transcriptional activation of the lux operon, LuxR is thought to function as an ambidextrous activator capable of making multiple contacts with RNA polymerase (RNAP). The specific role of region 4 of the Escherichia coli sigma 70 subunit of RNAP in LuxR-dependent transcriptional activation of the luxI promoter has been investigated. Rich in basic amino acids, this conserved portion of sigma 70 is likely to be surface-exposed and available to interact with transcription factors bound near the -35 element. The effect of 16 single and 2 triple alanine substitution variants of sigma 70 between amino acid residues 590 and 613, was determined in vivo by measuring the rate of transcription from a luxI-lacZ translational fusion via b-galactosidase assays in recombinant E. coli. In vitro work was performed with LuxRDN, the autoinducer-independent C-terminal domain (amino acids 157 to 250) of LuxR because purified, full length LuxR is unavailable. Single-round transcription assays were performed in the presence of LuxRDN and 19 variant RNAPs, one of which contained a C-terminally truncated sigma 70 subunit devoid of region 4. Results indicate that region 4 is essential for LuxRDN-dependent luxI transcription with two specific amino acid residues, E591 and K597, having negative effects on the rate of LuxRDN-dependent luxI transcription in vivo and in vitro. None of the residues tested were identified as having any effect on LuxR-dependent luxI transcription in vivo. These findings suggest that region 4.2 is most likely to be in close proximity to LuxR when bound to the luxI promoter. However, unlike the situation found for other ambidextrous activators, no single residue within region 4.2 of sigma 70 may be critical by itself for LuxR-dependent during transcriptional activation. / Master of Science

<I>Vibrio fischeri</I>, a symbiotic bioluminescent bacterium, serves as one of the best understood model systems for a mechanism of cell-density dependent bacterial gene regulation known as quorum sensing. During quorum sensing in <I>V. fischeri</I>, an acylated homoserine chemical signal (autoinducer) is synthesized by the bacteria and used to sense their own species in a given environment. As the autoinducer levels rise, complexes form between the autoinducer and the N-terminal domain of a regulatory protein, LuxR. In response to autoinducer binding, LuxR is believed to undergo a conformational change that allows the C-terminal domain to activate transcription of the luminescence or <I>lux</I> operon. To further understand the mechanism of LuxR-dependent transcriptional activation of the <I>lux</I> operon, PCR-based site-directed mutagenesis procedures have been used to generate alanine-substitution mutants in the C-terminal forty-one amino acid residues of LuxR, a region that has been hypothesized to play a critical role in the activation process. An <I>in vivo</I> luminescence assay was first used to test the effects of the mutations on LuxR-dependent activation of the <I>lux</I> operon in recombinant <I>Escherichia coli</I>. Luciferase levels present in cell extracts obtained from these strains were also quantified and found to correlate with the luminescence results. Eight strains encoding altered forms of LuxR exhibited a "dark" phenotype with luminescence output less than 50% and luciferase levels less than 50% of the wildtype control strain. Western immunoblotting analysis with cell extracts from the luminescence and luciferase assays verified that the altered forms of LuxR were expressed at levels approximately equal to wildtype. Therefor, Low luminescence and luciferase levels could be the result of a mutation that either affects the ability of LuxR to recognize and bind its DNA target (the <I>lux</I> box) or to establish associations with RNA polymerase (RNAP) at the <I>lux</I> operon promoter necessary for transcriptional initiation. A third <I>in vivo </I>assay was used to test the ability of the altered forms of LuxR to bind to the <I>lux</I> box (DNA binding assay/repression). All of the LuxR variants exhibiting the "dark" phenotype in the luminescence and luciferase assay were also found to be unable to bind to the <I>lux</I> box in the<I> </I>DNA binding assay. Therefore, it can be concluded that the alanine substitutions made at these positions affect the ability of LuxR to bind to the <I>lux</I> box in the presence and absence of RNA polymerase. Another class of mutants exhibited wildtype phenotypes in the luminescence and luciferase assays but were unable to bind to the <I>lux</I> box in the DNA binding assay. The alanine substitutions made at these amino acid residues may be making contacts with RNAP that are important for maintaining the stability of the DNA binding region of LuxR. Alanine substitutions made at these positions have a defect in DNA binding at the promoter of the <I>lux</I> operon only in the absence of RNAP. None of the alanine substitutions made in the C-terminal forty-one amino acids of LuxR were found to affect activation of transcription of the <I>lux</I> operon without also affecting DNA binding. Taken together, these results support the conclusion that the C-terminal forty-one amino acids of LuxR are important for DNA recognition and binding of the <I>lux</I> box rather than positive control of the process of transcription initiation. / Master of Science

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / La synthèse de nanoparticules d'YF₃ a été réalisée par la méthode des microémulsions inverses. Les deux variantes utilisées consistent à ajouter F₃ à une microémulsion contenant Y₃+, soit via une microémulsion, soit en phase aqueuse. La première méthode produit des particules amorphes de forme indéfinie. La seconde produit un mélange de particules octaédriques monocristallines et sphériques amorphes. Dans les deux cas, la taille est monodisperse et celle-ci peut être contrôlée. Plusieurs paramètres du système micellaire ont été caractérisés par DLS et RMN (taille des micelles inverses, nombre d'agrégation, quantité de surfactant libre, composition micellaire et aire moléculaire interfaciale). De nouvelles approches pour l'analyse des données ont été développées, basées sur la réalisation que des micelles d'une taille donnée doivent être en équilibre avec le surfactant libre à une concentration fixe unique. Un nouveau modèle a également été développé pour les micelles inverses non ioniques. Celui-ci est plus approprié pour les surfactants non ioniques, car il tient compte du volume occupé par la chaîne hydrophile du surfactant et d'une aire moléculaire interfaciale variable. Il ressort que la quantité de surfactant libre est très importante (45-100%) et augmente avec une diminution de la taille des micelles. Ceci s'explique par une perte d'entropie des chaînes hydrophiles du surfactant qui doivent adopter des conformations défavorables, à cause du manque d'espace. Finalement, le mécanisme de formation des nanoparticules a été étudié. Au début de la synthèse, les réactifs sont rapidement dispersés dans le système et consommés pour former des noyaux solides. Les noyaux plus stables croissent ensuite par un mécanisme de maturation d'Ostwald, alimentés par la dissolution des noyaux instables. La différence déterminante entre les deux méthodes de synthèse se produit au moment de la nucléation. Dans le cas de la méthode classique, celle-ci se produit entre des réactifs équimolaires lors d'un échange intermicellaire. Cette méthode génère un plus grand nombre de noyaux stables, expliquant la plus faible taille des particules. Pour la méthode à une microémulsion, la nucléation se produit avec un excès de fluorure, lors de la rencontre de micelles inverses contenant l'yttrium avec une microgouttelette de la solution de fluorure.

The phenomenon luminescence rigidochromism has been reported since the 1970s in tricarbonyldiimine complexes with a general formula [R(CO)3LX] using conventional unipolar diimine ligands such as 2,2;-bipyridine or 1,10-phenanthroline as L, and halogens or simple solvents as X. As a major part of this dissertation, microwave-assisted synthesis, purification, characterization and detailed photoluminescence studies of the complex fac-[ReCl(CO)3L], 1, where L = 4-[4,6-bis(3,5-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl]-N,N-diethylbenzenamine are reported. The employment of microwaves in the preparation of 1 decreased the reaction time from 48 to 2 hours compared to the conventional reflux method. Stoichiometry variations allows for selective preparation of either a mononuclear, 1, or binuclear, fac-[Re2Cl2(CO)6], 2, complex. The photophysical properties of 1 were analyzed finding that it possesses significant luminescence rigidochromism. The steady state photoluminescence emission spectra of 1 in solution shift from 550 nm in frozen media to 610 nm when the matrix becomes fluid. Moreover, a very sensitive emission spectral analysis of 0.1 K temperatures steps shows a smooth transition through the glass transition temperature of the solvent host. Furthermore, synthetic modifications to L have attained a family of ambipolar compounds that have tunable photophysical, thermophysical and other material properties that render them promising candidates for potential applications in organic electronics and/or sensors - either as is or for their future complexes with various transition metals and lanthanides.

No / This paper presents new chronological data applied to the problem of providing a date for the construction of a prehistoric building, with a case study from the Old Scatness Broch, Shetland. The innovative methodology employed utilises the combination of radiocarbon and optically stimulated luminescence (OSL) dates with the archaeological information, which includes the stratigraphic relationships of sampled deposits, context information, and evidence relating to the formation of the deposit. This paper discusses the scientific validity of the dates produced, and the advantages that the methodology employed at this site offers for archaeological interpretation. The combined dating evidence suggests that the broch at Old Scatness is earlier than the conventionally accepted dates for broch construction. More broadly it shows the value of integration of the specialists at the planning stages of the excavation. The application of a Bayesian statistical model to the sequences of dates allowed investigation of the robustness of the dates within the stratigraphic sequences, as well as increasing the resolution of the resulting chronology. In addition, the value of utilising multiple dating techniques on the same deposit was demonstrated, as this allowed different dated events to be directly compared as well as issues relating to the formation of the sampled deposit. This in turn impacted on the chronological significance of the resulting dating evidence, and therefore the confidence that could be placed in the results.

Ce travail est axé vers la compréhension détaillée des propriétés de luminescence de composés de certains métaux lourds. La première partie de ce mémoire décrit la caractérisation spectroscopique d'un radical de type nitronyle nitroxyde, 2-(2-pyridinyl)-4,4,5,5-tétraméthyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-1-oxyl-3-oxyde, abrégé (NIT2-Py), et de ses complexes avec les cations Tb(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py], et Y(III), [Y(hfac)3NIT2-Py]. La variation de la température affecte les spectres de luminescence qui montrent de la structure vibronique résolue. Les maxima de ces transitions vibroniques se rapprochent au fur et à mesure que la température augmente. Ces variations des maxima en fonction de la température ne correspondent pas à des variations de fréquences vibrationnelles et sont de l'ordre de 200 cm-1 entre 80 K et 240 K. La variation de la température n'a pas d'influence significative sur la structure moléculaire, comme atteste la variation mineure des maxima des spectres Raman entre 80 K et 300 K. La comparaison des spectres expérimentaux à des spectres calculés montre que ces variations peuvent être reproduites par l'utilisation d'une combinaison de fréquences vibrationnelles. Le paramètre dont la variation est très significative est la résolution du spectre de luminescence, représentée par la largeur à mi-hauteur des transitions vibroniques qui forment le spectre de luminescence. La deuxième partie de ce mémoire décrit les propriétés de luminescence d'une série de complexes d’or(I). Elles sont comparées aux changements structuraux à pression et température variable. Les interactions aurophiles ont une grande influence sur la luminescence. La variation de la température et de la pression est une approche efficace pour varier la luminescence. Les effets observés dans les spectres d'émission de ces complexes dépendent des changements de structure induits par variation de la température et de la pression. Ces petites variations structurales mènent à des changements importants, à titre d'exemple à un déplacement du maximum de la bande de luminescence de 60 cm-1/ kbar vers les faibles énergies pour un des complexes de l'or(I) étudiés au cours de ce projet. / The overall goal of this work is to contribute to the understanding of luminescence properties of transition metal compounds. The first part of this thesis describes the spectroscopic characterization of a pyridine-substituted nitronyl nitroxyde radical 2-(2-pyridyl)-4,4,5,5-tetramethyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-3-oxide-1-oxyl abbreviated (NIT2-Py) and its complexes with Tb(III) and Y(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py] and [Y(hfac)3NIT2-Py], respectively. Their luminescence spectrum show resolved vibronic structure and variations with temperature The energy difference between vibronic luminescence maxima decreases with increasing temperature. This decrease is on the order of 200 cm-1 between 80 K and 240 K and is not due to decreasing Raman frequencies. The variations of temperature do not have a significant influence on the molecular structures, as illustrated by the very small variation of Raman maxima between 80 K and 300 K. Luminescence spectra were calculated using the time dependent theory of spectroscopy. Calculated luminescence spectra show that the variations with temperature are reproduced by using specific combinations of experimental frequencies and by adjusting the width of the vibronic transitions, determining the resolution of the luminescence spectrum. The second part of the thesis describes the luminescence spectroscopic properties of a series of trimetallic gold(I) complexes at variable temperature and pressure. Aurophilic interactions are very important for these compounds and influence the luminescence spectra. The spectroscopic features are compared to structural changes at variable temperature and pressure. Even small changes in structure lead to significant changes in luminescence, for example a shift of the maximum of the luminescence band by 60 cm-1/ kbar to lower energy for one of the gold(I) complexes studied.

Une organisation contrôlée de la porosité offre l’opportunité de combiner les avantages structuraux des macropores (diamètres supérieures à 50 nm), assurant l’intégrité et l’interconnectivité de l’ossature du matériau, avec ceux des pores plus étroits (méso- et micropores), déployant des surfaces spécifiques réactives importantes. L’élaboration de telles architectures, dites « hiérarchisées », à l’échelle du laboratoire représente un véritable défi physico-chimique. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’intéresse à l’élaboration de matériaux poreux fonctionnels avancés, s’inscrivant dans le concept de chimie intégrative, en combinant matière molle (mésophases lyotropes, émulsions directes concentrées, auto-assemblages organique-organique, etc.), procédé sol-gel, polymérisation organique et principe de l’empreinte « dure ». Dans une première approche générale, des monolithes hybrides macrocellulaires à base de silice ont été fonctionnalisés par greffage covalent post-synthèse ou par co-condensation de précurseurs organosilanes appropriés. Dès lors, l’encapsulation de complexes luminescents (ions europium), de catalyseurs métalliques piégés dans une phase liquide ionique supportée (sels ou nanoparticules de palladium), ou d’entités biologiques (enzymes hydrosolubles : lipases) a offert une modulation rationnelle des propriétés optiques, catalytiques ou biocatalytiques induites in fine. Dans une seconde approche générale, l’utilisation de monolithes de silice macrocellulaires comme empreintes dures « sacrificielles » a permis la genèse de composés carbonés poreux, associée à un contrôle structural sur plusieurs échelles. Dès lors, une surface spécifique développée et une porosité hiérarchisée, conjuguées à des propriétés intrinsèques opportunes (stabilités thermique et chimique, conductivité électrique), ont offert un large champ d’applications, comme électrodes pour systèmes de stockage de l’énergie électrochimique (batteries Li-ion et condensateurs à double couche électrochimique), sites de nucléation de borohydrures de lithium (LiBH4) pour le stockage de l’hydrogène, ou encore comme électrodes enzymatiques pour biopiles. / Mainly induced by the wide scope of expected applications, designing hierarchical porous architectures appears today as a strong and competitive field of research. The opportunity to combine the structural advantages of both macropores (diameters larger than 50 nm), providing interconnected framework while reducing the diffusion low kinetic issue, with those of the more narrow pores (meso and micropores), generating high surface reactive areas, has induced a need for novel synthetic routes to achieve hierarchical structures. In this view, by combining soft mater (lyotropic mesophases, concentrated direct emulsions or organic-organic self-assemblies, etc.), sol-gel process, organic polymerization and hard-template approaches, we have generated new functional porous materials, fitting with the transversal integrative chemistry concept. In a first general approach, organically grafted silica foams have been designed, either by a grafting method or a one-pot co-condensation route of organosilane derivatives, to encapsulate luminescent complexes (europium ions), metallic catalysts entrapped into supported ionic liquid phase (palladium salts or nanoparticules) or bio-related entities (water-soluble enzymes: lipases), dealing with promising optical, catalytic or biocatalytic properties. In a second synthetic pathway, using siliceous foams as “sacrificial” hard templates, carbonaceous foams have been obtained addressed through a structural design over several length scales. Due to inherent high surface area, chemical inertness, thermal stability and good conductivity, this new foams series has offered a large field of applications, such as electrodes for electrochemical energy storage devices (Li-ion batteries and electrochemical double-layer capacitors), host sites for hydrogen storage through LiBH4 nucleation, as well as advanced porous electrodes for enzyme-based biofuel cells.

Les interactions entre des complexes de platine (II) ou de palladium (II) ont une grande influence sur une grande gamme de propriétés chimiques et physiques. Ces propriétés peuvent être étudiées par plusieurs méthodes spectroscopiques comme la spectroscopie Raman, d’absorption, d’émission et de réflectivité diffuse. L’empilement de molécules a un effet important sur les propriétés spectroscopiques de plusieurs composés des éléments de transition. La spectroscopie est très utile pour comprendre les effets intermoléculaires majeurs de plusieurs composés inorganiques. Les complexes plan-carré de platine(II) et de palladium(II) sont très intéressants à cause de leur grande quantité d’effets intermoléculaires et intramoléculaires. Des mesures avec des variations de pression (entre 1 bar et 40 kbar) et de température (entre 80 K et 300 K) ont été effectuées sur ces complexes. La structure à l’état fondamental des composés de platine(II) et de palladium(II) a un effet important sur la spectroscopie de luminescence. Des complexes avec des donneurs axiaux mènent à un effet de déplacement du maximum d’émission vers de plus basses énergies avec l’augmentation de pression. Des complexes similaires sans composante axiale ont un maximum d’émission qui se déplace vers des plus hautes énergies. Ces effets sont explorés à l’aide de plusieurs composés incluant une série de complexes pinceur qui ont démontré des déplacements entre -1 cm-1/kbar et -30 cm-1/kbar. Le changement du type d’émission causé par un changement de pression ou de température est aussi observable. Un complexe de platine(II) montre un changement d’une transition centrée sur le ligand à pression ambiante à une transition de type transfert de charge à plus haute pression. La combinaison de l’information cristallographique et spectroscopique donne de l’information quantitative sur les variations de la structure et des niveaux électroniques de plusieurs complexes. / Interactions between platinum(II) or palladium (II) compounds influence a large range of chemical and materials properties. These properties can be studied with the help of many different spectroscopic methods such as Raman, absorption, luminescence and diffuse reflectance. The stacking of molecules has a very important effect on their photophysical properties. Luminescence spectroscopy is especially useful to understand what role of intermolecular effects in inorganic complexes. Square planar Pt(II) and Pd(II) complexes are very interesting to study because of their multiple intermolecular and intramolecular effects. Work on these complexes under variable external pressure and temperature corresponding to variable intermolecular effects was executed. These changes include variations of pressure (between ambient pressure and 40 kbar) and temperature (from 80 K to 300 K). The ground-state structure of Pt(II) and Pd(II) square planar complexes has an obvious impact on the luminescence properties. Pressure allows a continuous variation of the structure. Complexes with axial donors show a shift of the luminescence maxima to lower energy as pressure increases, similar complexes without the axial component show a shift of the luminescence maxima to higher energy. The packing also plays an important role defining effects of pressure and temperature. These effects are illustrated with a series of pincer complexes that have shown energy shifts between -1 cm-1/kbar and -30 cm-1/kbar. These complexes also show different emitting states depending on the pressure that is applied. A ligand centered (LC) transition is observed at low pressure replaced by a metal-ligand charge transfer (MLCT) emission at higher pressure. The combination of crystallographic and spectroscopic data gives quantitative variations of the electronic structure for many complexes.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce travail est axé vers la compréhension détaillée des propriétés de luminescence de composés de certains métaux lourds. La première partie de ce mémoire décrit la caractérisation spectroscopique d'un radical de type nitronyle nitroxyde, 2-(2-pyridinyl)-4,4,5,5-tétraméthyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-1-oxyl-3-oxyde, abrégé (NIT2-Py), et de ses complexes avec les cations Tb(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py], et Y(III), [Y(hfac)3NIT2-Py]. La variation de la température affecte les spectres de luminescence qui montrent de la structure vibronique résolue. Les maxima de ces transitions vibroniques se rapprochent au fur et à mesure que la température augmente. Ces variations des maxima en fonction de la température ne correspondent pas à des variations de fréquences vibrationnelles et sont de l'ordre de 200 cm-1 entre 80 K et 240 K. La variation de la température n'a pas d'influence significative sur la structure moléculaire, comme atteste la variation mineure des maxima des spectres Raman entre 80 K et 300 K. La comparaison des spectres expérimentaux à des spectres calculés montre que ces variations peuvent être reproduites par l'utilisation d'une combinaison de fréquences vibrationnelles. Le paramètre dont la variation est très significative est la résolution du spectre de luminescence, représentée par la largeur à mi-hauteur des transitions vibroniques qui forment le spectre de luminescence. La deuxième partie de ce mémoire décrit les propriétés de luminescence d'une série de complexes d’or(I). Elles sont comparées aux changements structuraux à pression et température variable. Les interactions aurophiles ont une grande influence sur la luminescence. La variation de la température et de la pression est une approche efficace pour varier la luminescence. Les effets observés dans les spectres d'émission de ces complexes dépendent des changements de structure induits par variation de la température et de la pression. Ces petites variations structurales mènent à des changements importants, à titre d'exemple à un déplacement du maximum de la bande de luminescence de 60 cm-1/ kbar vers les faibles énergies pour un des complexes de l'or(I) étudiés au cours de ce projet. / The overall goal of this work is to contribute to the understanding of luminescence properties of transition metal compounds. The first part of this thesis describes the spectroscopic characterization of a pyridine-substituted nitronyl nitroxyde radical 2-(2-pyridyl)-4,4,5,5-tetramethyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-3-oxide-1-oxyl abbreviated (NIT2-Py) and its complexes with Tb(III) and Y(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py] and [Y(hfac)3NIT2-Py], respectively. Their luminescence spectrum show resolved vibronic structure and variations with temperature The energy difference between vibronic luminescence maxima decreases with increasing temperature. This decrease is on the order of 200 cm-1 between 80 K and 240 K and is not due to decreasing Raman frequencies. The variations of temperature do not have a significant influence on the molecular structures, as illustrated by the very small variation of Raman maxima between 80 K and 300 K. Luminescence spectra were calculated using the time dependent theory of spectroscopy. Calculated luminescence spectra show that the variations with temperature are reproduced by using specific combinations of experimental frequencies and by adjusting the width of the vibronic transitions, determining the resolution of the luminescence spectrum. The second part of the thesis describes the luminescence spectroscopic properties of a series of trimetallic gold(I) complexes at variable temperature and pressure. Aurophilic interactions are very important for these compounds and influence the luminescence spectra. The spectroscopic features are compared to structural changes at variable temperature and pressure. Even small changes in structure lead to significant changes in luminescence, for example a shift of the maximum of the luminescence band by 60 cm-1/ kbar to lower energy for one of the gold(I) complexes studied.