Interactions between DNA molecules can be used to perform computation. These DNA computing systems often use DNA molecules as freely diusing reactants in a well-mixed solution. We demonstrate how DNA walkers tethered to an origami-templated track can perform computation. A DNA walker can block a track that intersects with its own, preventing another walker from stepping down this blocked track. These blockages are primitive operations that can be used to perform computation. This thesis demonstrates how blocking interactions between DNA walkers can evaluate formulae posed in propositional logic. When anchorages in the track are viewed as networked machines and the DNA walker is viewed as a coordinated message passed between them, DNA walker circuits can be modelled as a distributed system. Techniques from formal veri- cation can be used to check this system for errors, determining the probability with which the system will end up in a certain state. This forms the basis of a compiler that can automatically design a DNA walker circuit that evaluates a given propositional formula within a specied error tolerance. To show how DNA walker circuits can be simplied, we create a propositional logic system called blocking logic that is proven to be both sound and complete. DNA walker circuits can be implemented and measured experimentally by using fluorescence spectrophotometry to track the position of a walker on the track. To demonstrate proof of principle, circuits were built that implement NOT and NOR operators. To make these circuits operate with minimal error, dierent sources of possible error were investigated and quantied. Cumulatively, the novel contributions that this thesis makes to the eld are: • the experimental design and implementation of a DNA computing system that uses DNA walkers, • probabilistic model checking software that automatically designs these DNA walker circuits, • a propositional logic system that can simplify a DNA walker circuit to an equivalent circuit that uses fewer tracks.

<p>Biodynamic imaging (BDI) is a high-content optical imaging technology based on Fourier-domain digital holography and Doppler spectroscopy of intracellular dynamics. There are three main functions of the BDI technique, which are optical coherence imaging (OCI), motility contrast imaging (MCI) and tissue dynamics spectroscopy (TDS). OCI is related to <em>en face</em> optical coherence tomography (OCT) using partially coherent speckle generated by broad-area illumination with coherence detection through digital holography. MCI provides noninvasive functional imaging by treating intracellular motility as an endogenous dynamic imaging contrast agent. TDS produces broad-band Doppler fluctuation power spectra that contain the ensemble of all intracellular motions by collecting and extracting depth-resolved quasi-elastic dynamic light scattering from inside multicellular living tissue. This thesis presents the development and applications of BDI systems. Doppler spectral clustering analysis is demonstrated when comparing fresh canine lymphoma biopsies and their corresponding flash-Frozen samples. Doppler spectral phenotyping analysis is used to identify a non-predictive phenotype of TDS that shows a systemic red-shift of frequencies. Doppler spectral shift analysis is used to monitor bacterial infection of living tissue. </p>

<p>The Fenna-Matthews-Olson (FMO) complex is a photosynthetic pigment-protein complex that has been the subject of study of decades of research, both experimental and theoretical. The FMO complex is small enough that computational modeling is feasible, while the rich excitonic interactions between the pigments give rise to absorption and circulardichroism (CD) spectra with many interesting details. This makes FMO an excellent testing ground for new predictive modeling techniques.</p> <p><br></p> <p>In this work we model the FMO complex from first-principles, wherein the only input is the X-ray crystal structure of the protein. We compute steady-state absorption and CD spectra of wild-type (WT) FMO as well as two mutants, Y16F and Q198V, in which amino acid residues near pigment 3 and pigment 7 are replaced respectively. CD spectra contain extra structural information and thus provide another avenue of investigation into the electronic properties of the FMO complex. We find that while there are large structural changes in the mutants, not all of the structural changes produce significant spectral changes. We conclude that the primary contributor to the spectral changes in Y16F is the breaking of a hydrogen bond between the nearby tyrosine and pigment 3. On the other hand, the spectral changes in Q198V are due to a collection of effects cancelling one another out to varying degrees, all induced by widespread structural changes as a result of the mutation.</p> <p><br></p> <p>We then perform time-resolved absorption and CD spectroscopy measurements on WT, Y16F, and Q198V FMO to provide a high quality set of experimental data against which the first-principles spectra can be validated. We find that in order to accurately model the triplet energy transfer dynamics in FMO two effects must be accounted for in the modeling: (1) the Stark shift caused by the rotation of the bacteriochlorophyll’s permanent dipole moment upon entering a triplet state, and (2) decays must be modeled as Boltzmann populations rather than individual pigments.</p>

La forme emerge a toutes les echelles et dans tous les syst emes physiques, vivants ou non, comme le r esultat de l'interaction suivant certaines r egles des di erents el ements constituant le syst eme. L'enjeu de l' etude de la morphogen ese est donc d' etablir quels el ements et quelles interactions sont responsables de l' emergence des traits frappants de la forme dont on souhaite expliquer la naissance. En biologie du d eveloppement, le contexte bio-mol eculaire et l'importance du g ene font souvent perdre de vue que comme dans tout syst eme, la forme g eom etrique emerge suite a des interactions inscrites dans l'espace et dans le temps, interactions dont les g enes et les prot eines pour lesquelles ils codent sont certainement acteurs. Dans ce manuscrit, nous traiterons de la morphogen ese de deux syst emes di erents. Le premier se situe dans la lign ee des exp eriences de croissance osmotique r ealis ee au XIX eme si ecle par le Dr. St ephane Leduc. Il consiste en la formation spontan ee de tubes de silice poussant sym etriquement autour d'une fracture se situant en leur milieu lors de l'injection d'une solution dans une seconde, un pr ecipit e se formant a l'interface. Le reste du manuscrit est d edi e a l' etude de la morphogen ese pulmonaire chez les mammif eres. Nous construirons d'abord le cadre th eorique d'un mod ele de croissance tr es g en eral bas e sur les observations de la biologie mol eculaire et la g eom etrie de l'organe. Par la suite nous verrons comment de simples consid erations de g eom etrie et de di usion permettent d'expliquer le patterning des g enes impliqu es, et comment ces m^emes consid erations rendent compte de l' emergence des traits frappants de la morphologie du poumon embryonnaire : l'arborescence, l' evitement des bronches entre elles, et l' etablissement d'une distance caract eristique entre l' epith elium distal et le m esenchyme distal. Nous introduirons aussi les outils th eoriques permettant de comprendre en profondeur les m ecanismes impliqu es. En n nous pr esenterons une exp erience physique simple bas ee sur les conclusions du mod ele, et r ev elant des similitudes frappantes avec la croissance pulmonaire.

The short answer to the title question is: "a lot". It was transient absorption spectroscopy on geminate recombination in myoglobin that led Hans Frauenfelder to constructing his picture of protein's hierarchical energy landscape [1]. And even before that (in 1973), Joseph Lakowicz and Gregorio Weber at UIUC used quenching of tryptophan fluorescence by oxygen diffusing to solvent-inaccessible protein regions to conclude that "proteins, in general, undergo rapid structural fluctuations on the nanosecond time scale " [2]. The not-so-short answer is that the present text is written at a point where, after a decade of applying transient absorption spectroscopy to understand light induced electron transfer in a variety of enzymes, I am about to change the angle of attack and ask how these techniques and enzymes could be of help to solve some problems that are addressed in the IBS environment, namely protein dynamics, both structural and functional. It is for this reason that the answer will have to be delayed to the third and final part of this opus, "future", that deals with the perspectives. Meanwhile, the first part, "past", will be dedicated to showing on the example of the "paradigm" enzyme -DNA photolyase (the yellow egg hereunder)-, what transient absorption spectroscopy is capable of and the middle part, "present" dresses a short review into various experimental approaches currently used to obtain insight into protein dynamics. In the final section, I will delineate ways how optical spectroscopy could interact with projects existing or emerging in the protein dynamics community at IBS and thus contribute elements of an answer to the title question.

L'acinus pulmonaire constitue l'unité d'échange gazeux entre l'air et le sang dans les voies aériennes pulmonaires. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'oxygène. Plusieurs mécanismes sont mis en jeu depuis son entrée dans l'acinus jusqu'à sa capture par l'hémoglobine : les mécanismes de transport de l'oxygène dans l'air : convection et diffusion, le transfert par diffusion passive de l'oxygène à travers la membrane alvéolo-capillaire et sa capture par l'hémoglobine. Par la détermination de la capacité diffusive pulmonaire DL, il est possible d'évaluer cliniquement le fonctionnement et l'efficacité de ces mécanismes. Cette mesure est couramment employée pour le diagnostic, notamment pour mettre en évidence les détériorations de la membrane alvéolo-capillaire ou encore les pertes de surface d'échange. Expérimentalement, la DL s'exprime à partir des deux mesures cliniques suivantes: la pression alvéolaire PA et la consommation de gaz V. Plus particulièrement, dans le cas qui nous intéresse ici soit celui de l'oxygène, il s'agit de la pression partielle en oxygène contenue dans les alvéoles pulmonaires PA,O2 et de la quantité d'oxygène échangée en une minute VO2. Il est possible de déterminer une valeur théorique de la capacité diffusive pulmonaire grâce à une formulation classique et empirique très utilisée en médecine. Celle-ci est aujourd'hui encore le sujet de nombreuses publications car elle ne reproduit pas exactement les résultats de l'expérience. Nous avons mis en place un modèle numérique dynamique du transport et du transfert de l'oxygène au sein de l'acinus pulmonaire permettant de restituer les valeurs de PA,O2 et VO2 chez les sujets sains. Ce modèle dépend d'un unique paramètre physique ajustable qu'on appelle la perméabilité $W$. Celle-ci traduit toute la complexité du transfert de l'oxygène vers le sang. Elle se définit comme une conductance équivalente imposée par les trois mécanismes acteurs du transfert vers le sang. Par cette approche numérique, nous avons donc construit un acinus artificiel qui, à partir de la seule détermination de la perméabilité $W$ est capable de reproduire le fonctionnement de l'acinus réel. A partir de ce modèle, nous avons pu étudier l'influence de la géométrie asymétrique de l'acinus pulmonaire sur le transport et l'échange. Cette étude a mis en évidence une forte hétérogénéité de la répartition du flux d'oxygène échangé vers le sang dans l'acinus pulmonaire. Ceci peut s'expliquer grâce à un phénomène physique appelé masquage diffusionnel, responsable du fait que la pression partielle en oxygène dans l'acinus diminue. Ce phénomène est gouverné, notamment, par l'absorption à travers la membrane alvéolaire et la diffusion le long de la structure irrégulière de l'acinus. Cet effet entraîne que les parties profondes de l'acinus sont très peu alimentées en oxygène, la majorité ayant été absorbée dans les premières générations. Au repos, l'influence du masquage est élevée et le flux d'oxygène ne dépend que très peu du volume (proportionnel à la surface alvéolaire). A l'effort, l'effet du masquage est moindre, notamment grâce à la vitesse de convection plus élevée. Ainsi, la quasi-totalité de la surface alvéolaire est utilisée.

Dans ce travail, nous proposons un nouvel appareillage, destiné à aider à la détermination du mécanisme de certaines protéines. Cet outil, qui combine un appareil de pinces magnétiques, et un microscope de fluorescence en ondes évanescentes, a été conçu pour permettre à la fois la manipulation mécanique et l'observation de l'activité d'ADN translocases à l'échelle de la molécule unique. Nous présentons d'abord ici la conception, la réalisation et l'expérimentation de ce montage. Nous montrons que, d'une part, il se compare favorablement à ses composants séparés (pinces magnétiques et microscope de fluorescence), et que d'autre part leur réunion dans un appareil unique permet d'obtenir des résultats d'un type nouveau. Nous avons orienté l'étude des ADN translocases avec cet appareil sur l'exemple de deux protéines : le moteur FtsK de Escherichia coli et l'ARN Polymérase de T7. Nous détaillons dans cette étude les questions importantes encore en suspens concernant le mécanisme et présentons les expériences que nous avons envisagées pour y répondre. Nous relatons ensuite également la difficulté que nous avons rencontrée à obtenir des substrats protéiques adaptés aux expériences que nous avons envisagées, et les solutions que nous avons mises en oeuvre pour y remédier. Enn, nous analysons les résultats obtenus dans des expériences en volume ou en pinces magnétiques seules, qui ont permis de mettre en valeur de nouveaux comportements et de préparer la réalisation de nouvelles expériences sur notre montage combiné.

L'imagerie optique de fluorescence permet de localiser des cibles biologiques comme des tumeurs, marquées par des fluorophores. Pour des applications au diagnostic chez l'Homme où l'épaisseur des tissus atteint plusieurs centimètres, la détection parasite de l'autofluorescence naturelle des tissus compromet la détection de la fluorescence d'intérêt et son élimination est la condition sine qua non d'une localisation correcte de la tumeur. L'objet de cette thèse a été l'étude spectrale de l'auto fluorescence des tissus et la mise au point d'une méthode de séparation de spectres aveugle permettant de supprimer sa contribution des mesures. La Factorisation en Matrices Non-négatives a été privilégiée, et de nouveaux algorithmes ont été proposés et testés sur données réelles. Nous avons démontré les performances de notre méthode dans l'amélioration de la détection des marqueurs et la reconstruction de la position de la tumeur en tomographie optique diffuse de fluorescence.

La mesure de flux métaboliques cérébraux, en particulier de ceux participant au métabolisme énergétique, présente un intérêt majeur autant d'un point de vue fondamental, pour la compréhension des réactions biochimiques et de leur couplage, que d'un point de vue clinique, pour la mise à jour de biomarqueurs d'évolution des pathologies neurodégénératives et la détermination des mécanismes déficients sous jacents. Ainsi, au cours des dernières décennies, des techniques de neuroimagerie atraumatiques et non invasives permettant la mesure de flux métaboliques cérébraux, parmi lesquelles la tomographie par émission de positrons (TEP) et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRM), ont connu un développement considérable. Plus particulièrement, la SRM du 31P présente la caractéristique et l'avantage de permettre la mesure directe du flux cérébral de synthèse d'ATP, et ce sans injection de précurseur marqué. Cependant, cette approche apparaît encore à ce jour un défi méthodologique et des études de validation complémentaires restent nécessaires afin de démontrer la pertinence de la SRM du 31P pour la mesure de la synthèse énergétique cérébrale. Dans ce contexte, une étude de neuroimagerie multimodale, basée sur l'utilisation de nouvelles techniques de neuroimagerie, a été menée afin de permettre, dans un même temps, d'obtenir une vision intégrée du métabolisme énergétique cérébral et de valider la méthode de transfert de saturation par SRM du 31P comme une méthode de mesure robuste et quantitative de la synthèse d'ATP cérébrale. Plus précisement, la consommation régionale de glucose CMRglc, la vitesse du cycle de Krebs (VTCA) et la vitesse de synthèse d'ATP (VATP) ont été mesurées dans le cerveau de primate sain respectivement par PET 18F-FDG, SRM du 13C et transfert de saturation par SRM du 31P. Ces trois mesures complémentaires, réalisées dans une zone cérébrale définie chez les mêmes animaux en conditions physiologiques identiques, ont conduit aux résultats suivants : CMRglc= 0.27 ± 0.07 μmol/g/min, VTCA = 0.63 ± 0.12 μmol/g/min et VATP = 7.8 ± 2.3 μmol/g/min. La cohérence de ces trois flux avec les valeurs rapportées dans la littérature, mais surtout leur cohérence l'un par rapport à l'autre, a permis de valider la méthode de transfert de saturation par SMR du 31P pour la mesure directe de la synthèse d'ATP cérébrale. Cette étape de validation ayant été conduite, l'intérêt de la technique de transfert de saturation a, dans un deuxième temps, été évalué en clinique sur une population de patients atteints de la maladie de Huntington (MH). Une attitude exploratoire a été adoptée, dans laquelle les concentrations en métabolites phosphorylés, le pH cérébral et la vitesse de synthèse d'ATP ont été évalués. Cette étude a permis en premier lieu de mettre en évidence un maintien de l'homéostasie métabolique chez les patients Huntington (HD), en particulier en ATP, Pi et PCr, et ce malgré une atrophie cérébrale importante. Une diminution de la vitesse de synthèse d'ATP cérébrale a également été observée chez ces patients. Cependant, au vu de la faible sensibilité de la méthode de transfert de saturation par SRM du 31P, la significativité de cette diminution n'a pu être établie. Enfin, une augmentation significative du pH cérébral a été mesurée chez les patients HD relativement aux contrôles. Cette alcalinisation cérébrale, pour la première fois mesurée dans la MH, présentait de plus une corrélation avec les scores cliniques moteurs évalués chez les patients HD, démontrant l'intérêt potentiel de la mesure de pH cérébral pour le suivi de la pathologie. Au vu de ce résultat, une étude visant à évaluer la précocité des variations de pH associées à laMH a été réalisée sur un modèle rongeur au cours d'une intoxication chronique à l'acide 3-nitropropionique (3NP), neurotoxine mitochondriale. Cette étude a permis de mettre en évidence une augmentation significative du pH cérébral précédant l'apparition de lésions striatales, démontrant la potentialité du pH cérébral comme biomarqueur précoce de la MH. Au niveau biochimique, il a été montré que variations de pH et pourcentages d'inhibition de la succinate déshydrogénase (SDH), cible spécifique du 3NP, présentaient la même évolution temporelle au cours du protocole d'intoxication. Des hypothèses sur les mécanismes biochimiques sous jacents ont alors été proposées afin de tenter d'expliquer les variations de pH cérébral mesurées dans cette étude.

Dans ce travail théorique, nous avons étudié les relations entre l'identité d'une membrane (sa composition chimique et ses propriétés physique), le transport lié à cette membrane, et la structure adoptée par cette membrane. Nous avons d'abord étudié l'entrée de pathogènes dans la cellule. Nous avons montré que ce sont les propriétés physiques et la composition de la membrane qui contrôlent l'entrée des pathogènes dans la cellule en contrôlant leur adhésion sur la membrane et leur aggrégation. Nous nous sommes ensuite tournés vers le transport dans l'appareil de Golgi, où nous montrons qu'une formulation adéquate des processus de transport permet de donner une interprétation précise d'expériences passées. Nous avons montré que des différences d'identité dans les membranes peuvent causer un transport des molécules dans l'appareil de Golgi. Nous nous intéressons ensuite à la maintenance de cette identité dans des organelles qui s'échangent en permanence des molécules. Nous montrons que cet échange doit avoir des propriétés particulières pour permettre la conservation de l'identité. Ces propriétés du transport ont un grand rôle sur la physiologie de l'organelle, et nous montrons qu'ils peuvent augmenter le rendement de l'appareil de Golgi. Enfin, nous montrons que le changement progressif d'identité dans un organelle peut contrôler la structure même de cet organelle.