xvi, 127 p. A print copy of this thesis is available through the UO Libraries. Search the library catalog for the location and call number. / Brownian ratchets generate transport at the micron scale with the help of thermal motion. The Brownian ratchet studied here is the flashing ratchet which transports particles by switching on and off a spatially asymmetric, periodic potential. Experimental work in the literature indicates that interdigitated electrode arrays can been used to create such potentials in solution, but no detailed study of particle trajectories has accompanied such experiments. Here, interdigitated electrode array devices were fabricated. Analysis of the trajectories of individual particles moving in response to a switching voltage revealed that the transport is likely due to electroosmotically driven fluid flow, not the Brownian ratchet effect. Simulation work in the literature predicts that polymers in a ratchet potential will exhibit qualitatively different transport from the particle case. Here, polymer transport was tested experimentally using interdigitated electrode array devices, collecting images of individual à à à à à à » DNA molecules and applying a flashing voltage. The DNA was observed to move in response to the applied potential and the resulting images contain DNA trajectories and also information about its conformations and dynamics. Conformations were analyzed using principal components analysis, extracting the normal modes of the variations amongst large sets of polymer images. These results iv show no conformational changes indicative of the polymer ratchet mechanism, despite the polymer motion. This result and detailed analysis of the DNA trajectories, suggest that the observed motion was driven by bulk flow generated through electroosmosis, in agreement with results from experiments using particles in similar devices. Deterministic Lateral Displacement (DLD) uses an array of obstacles in a microfluidic channel to sort micron-scale objects with à à à à à ¢ à à à à à ¼10nm precision. However, very little work has been done to quantitatively address the role of diffusion in DLD sorting. Here, modeling of transport in DLD arrays has shown that using arrays of obstacles that are small compared to their separation can create sorting that is robust against changes in flow velocity. Also, novel sorting modes were revealed when the model was applied to unconventional array geometries that have not been discussed in the literature. / Adviser: Heiner Linke

Plusieurs mécanismes biologiques utilisent la polymérisation des filaments d'actine comme moteur mécanique. L'énergie chimique libérée à l'addition d'un monomère dans le filament est convertie en travail mécanique et une force est générée. Les filaments ainsi formés s'organisent grâce à des protéines liant l'actine et forment des structures qui diffèrent par leurs propriétés mécaniques et élastiques mais aussi de leurs fonctions dans les différents processus biologiques. Notre système expérimental permet d'étudier le lien entre les propriétés mécaniques et les mécanismes à l'origine de la production de la force. La polymérisation des filaments est directement initiée sur la surface de particules magnétiques. En présence d'un champ magnétique, ces dernières s'organisent en chaîne par des interactions dipôle-dipôle, et une force magnétique compressive est induite sur les filaments qui polymérisent. La polymérisation écartent les particules au cours du temps et en fonction de la force appliquée, la vitesse d'écartement des particules est ralentie. En suivant l'évolution de la distance entre particules, nous détaillons la relation force-vitesse et les propriétés mécaniques des filaments.

xii, 112 p. : ill. (some col.) / Biological molecular motors exist in an interesting regime of physics where momentum is unimportant and diffusive motion is large. While only exerting small forces, these motors still manage to achieve directed motion and do work. Brownian motors induce directed motion of diffusive particles and are used as models for biological and artificial molecular motors. A flashing ratchet is a Brownian motor that rectifies thermal fluctuations of diffusive particles through the use of a time-dependent, periodic, and asymmetric potential. It has been predicted that a feedback-controlled flashing ratchet has a center of mass speed as much as one order of magnitude larger than the optimal periodically flashing ratchet. We have successfully implemented the first experimental feedback ratchet and observed the predicted order of magnitude increase in velocity. We experimentally compare two feedback algorithms for small particle numbers and find good agreement with Langevin dynamics simulations. We also find that existing algorithms can be improved to be more tolerant to feedback delay times. This experiment was implemented by a scanning line optical trap system. In a bottom-up approach to understanding molecular motors, a synthetic protein-based molecular motor, the "tumbleweed", is being designed and constructed. This design uses three ligand dependent DNA repressor proteins to rectify diffusive motion of the construct along a DNA track. To predict the behavior of this artificial motor one needs to understand the binding and unbinding kinetics of the repressor proteins at a single-molecule level. An assay, similar to tethered particle motions assays, has been developed to measure the unbinding rates of these three DNA repressor proteins. In this assay the repressor is immobilized to a surface in a microchamber. Long DNA with the correct recognition sequence for one of the repressors is attached to a microsphere. As the DNA-microsphere construct diffuses through the microchamber it will sometimes bind to the repressor protein. Using brightfield microscopy and a CCD camera the diffusive motion of the microsphere can be characterized and bound and unbound states can be differentiated. This method is tested for feasibility and shown to have sufficient resolution to measure the unbinding rates of the repressor proteins. / Committee in charge: Dr. Raghu Parthasarathy, Chair; Dr. Heiner Linke, Research Advisor; Dr. Dan Steck; Dr. John Toner; Dr. Brad Nolan

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第23610号 / 医科博第133号 / 新制||医科||9(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 松田 道行, 教授 林 康紀, 教授 安達 泰治 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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Les colloïdes superparamagnétiques sont utilisés dans de nombreuses études pour appliquer une force sur des cellules ou des molécules d'ADN. Dans une première partie, nous explorons le processus physique par lequel ces objets acquièrent une imantation leur permettant d'exercer des forces. Nous montrons comment la présence de quelques gros grains ferromagnétiques dans les colloïdes leur permet de s'orienter dans un champ externe. La robustesse de ce modèle est démontrée par sa généralisation à plusieurs tailles de colloïdes et sa cohérence avec les propriétés du ferrofluide ayant servi à les fabriquer. Dans une seconde partie, la réaction de filaments d'actine à la pression exercée par des colloïdes superparamagnétiques est étudiée. Nous sondons ainsi le mécanisme par lequel la polymérisation d'actine peut générer les forces à l'origine du phénomène de motilité cellulaire. La maîtrise de l'organisation des filaments autorise à étudier deux situations idéales. Dans l'une les filaments sont très fluctuants, et nous montrons que leur longueur est indépendante de la force appliquée. Ceci n'est plus vrai dans la deuxième situation, où les filaments rigides poussent face à la charge. Nous mesurons ainsi pour la première fois l'effet d'une force sur la vitesse de polymérisation de l'actine. Un modèle numérique de type Brownian ratchet sans partage de la charge permet de décrire la force générée.