The development of an organism starting from a fertilized egg involves the self-organized formation of patterns and the generation of shape. Patterns and shapes are characterized by their geometry, i.e. angles and distances between features. In this thesis, we set out to understand how the given geometry of pattern and shape of a living system feeds back into the evolution of this geometry. We focus on two fundamental developmental processes: axis specification and gastrulation. Both processes rely on the directed movements of cells and molecules driven by molecular force generation. Here, we ask how the geometry of an embryo guides such active flows. Active flows are often confined to the surface of a cell or embryo which is usually curved. We use the hydrodynamic theory of active surfaces to investigate how this curvature impacts on flows that are driven by patterns of mechanical activity. Using a minimal model of the cell cortex, we find that active cortical stresses can drive a rotation of the cell that aligns the chemical pattern of the stress regulator with the geometry of the cell surface. In particular, we find that active tension in the cytokinetic ring ensures that a cell divides along its longest axes, a common phenomenon known as Hertwig’s rule. As a consequence, the body axes of the C. elegans embryo are aligned with the geometry of the egg shell. We next set out to understand the impact of surface geometry on flows and patterns in more complex geometries. We focus in particular on localized sources of mechanical activity in curved fluid films. Such active particles act as sensors of the surface geometry, as the viscosity relates the local flow field to the large-scale geometry of the fluid film. We find that the impact of an anisotropic surface geometry on the flow field can generally be understood in terms of effective gradients of friction and viscosity. With this, we show that contractile points in a fluid film are attracted by protrusions and saddle geometries where the contractile point is surrounded by a maximal amount of surface area within the hydrodynamic length. Furthermore, we find that anisotropic active particles move towards or away from a saddle of the surface depending on whether they are extensile or contractile. To understand the process of gastrulation and left-right symmetry breaking in the avian embryo, we develop a hydrodynamic theory of the primitive streak, a line of mechanically active material. With this theory of an active viscous crack, we analyze experimental data from quail embryos. We find that the embryo-scale cell movements during gastrulation are driven by mechanical activity at the streak, while the surrounding epithelium behaves like a homogeneous fluid film. With this mechanical model, we find that streak elongation does not require extensile forces along the streak. Instead, streak elongation results from the flux of tissue into the streak, the viscosity of the surrounding tissue and the polar geometry of the streak. During avian left-right symmetry breaking, a chiral flow of tissue emerges at the tip of the streak, the so called Hensen’s node. We find that this flow results from an active torque that drives a counter-rotation of tissue layers. Thus, avian left-right symmetry breaking is facilitated by the mechanical coupling of tissue layers that the structure of node and streak provides. Finally, we study how the geometry of a surface impacts on such chiral flows. We find that chiral flows at the avian node as well as in the cell cortex can be recapitulated as the result of molecular torque dipoles that are aligned with the tangential plane of the cell or tissue surface. Only when the surface is curved, such in-plane torques drive in-plane flows. Thus, the geometry of the avian node and the cytokinetic furrow may facilitate the chiral flows that are driven by these structures. Taken together, we find that the geometry of an embryo is crucial to the flows and patterns that emerge in such a mechanically active system, because the geometry defines how forces and torques are transmitted.:1 Introduction 1.1 Embryogenesis from a geometric viewpoint 1.2 Hydrodynamic theory of active fluid films 1.3 Understanding active surfaces with complex numbers 1.4 Overview of this thesis 2 Crack mechanics of avian gastrulation 2.1 The primitive streak as a crack in a fluid film 2.2 Hydrodynamic theory of active viscous cracks 2.3 The primitive streak as a branch cut 2.4 Advective crack propagation 2.5 Discussion 3 Pattern formation guided by surface geometry 3.1 Minimal model of guided symmetry breaking 3.2 Diffusion on a curved surface 3.3 Pattern formation in an active fluid model of the cell cortex 3.4 Discussion 4 Geometry sensing by active flows 4.1 Geometry sensing by an active isotropic fluid 4.2 Deformation response of active flow in general surface geometries 4.3 Geometry sensing by a contractile point 4.4 Pattern formation guided by the geometric potential 4.5 Geometry sensing by active p-atic particles 4.6 Discussion 5 Chiral flows controlled by embryo geometry 5.1 Mechanical model of avian left-right symmetry breaking 5.2 Chiral flows facilitated by curvature gradients 5.3 Discussion 6 Conclusion and Outlook

<p dir="ltr">In this dissertation, I use methods of theoretical physics to study principles governing the stochastic dynamics of living timekeepers in a few different contexts. First, focusing on the phenomenon of stochastic growth and division processes in the simplest living organism (the bacterial cell), I present a procedure for analyzing high-throughput, high-precision dynamic datasets to identify emergent simplicities, in particular scaling laws, that provide new insights into a long-standing problem (that of cell size homeostasis). Recasting the question from a stochastic, intergenerational viewpoint (i.e., one that considers the entire life histories of individual cells without recourse to a priori mechanistic assumptions), and taking advantage of identified emergent simplicities to achieve dimensional reduction of the problem, permits a reformulation that captures the inherent stochasticity of individual cells. Identification of discrete modes by which homeostasis is maintained---in particular, via reflexive (elastic) adaptation of cell size and reflective (plastic) adaptation of growth rate---provides important insights into key system constraints that govern living bacterial cells, with additional implications for the design of functional adaptive synthetic homeostats. The observation of non-Markovian dynamics in single-cell growth rates implies the existence of intergenerational memory and plastic adaptation in these simple organisms. I also present my work on the process of early endosomal maturation in human cell lines, multi- fork DNA replication in Escherichia coli cells, and a physics principle and theory predictions for emergent periodicity in a decentralized follow-the-leader dynamic in a collective of randomly signaling agents. This body of work provides mechanistic insights into how temporal organization in outcomes emerges despite the inherently stochastic nature of the constituent dynamics, with each system adopting its own mechanism to achieve this universal goal.</p>

<p dir="ltr">Spatial transcriptomics improves transcriptomic studies by incorporating RNA localization information, which provides a more profound insight into cellular functions, interactions between cells, and their reactions to external stimuli. Single-molecule fluorescent in situ hybridization (smFISH) is a commonly utilized technique in spatial transcriptomics that allows for the accurate visualization of mRNA distribution in cells. This method aids in the quantitative evaluation of mRNA localization patterns by utilizing various physical properties, thereby illuminating processes such as transcription, nuclear export, and localized translation. Nevertheless, existing computational approaches for analyzing smFISH images often have constraints, concentrating primarily on cellular expression or specific biological contexts while overlooking broader physical analysis. In my PhD research, I created STProfiler, a comprehensive tool aimed at an unbiased physical examination of mRNA distribution. STProfiler includes an image analysis workflow that processes raw biological images to effectively detect mRNA and nuclei. It also employs machine learning techniques to biologically interpret mRNA spatial characteristics and categorize cells based on these features. My dissertation illustrates the use of STProfiler in multiple studies investigating the transcriptomic profiles of β-cells during the progression of type 1 diabetes (T1D), uncovering spatial transcriptomic diversity in β-cells. These investigations involve analyzing mRNA clusters and stress granules in pancreatic β-cells, measuring the physical characteristics of mRNAs linked to cellular stress and inflammation in mice developing T1D, evaluating the rise in HLA-DMB mRNA spliced variant in T1D, and exploring miRNA as a potential biomarker for T1D. Furthermore, STProfiler has also proven beneficial in tissue-wide spatial transcriptomics by creating masks for nuclei and cells from biological images and assigning mRNA transcripts to develop subcellular expression profiles. This capability allows for more thorough bioinformatic evaluations. In summary, STProfiler serves as a robust tool for both cell- and tissue-level spatial transcriptomics, offering an unbiased platform for researchers to investigate complex transcriptomic variations within cells.</p>

Thesis (MSc)--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: We construct and study a simple model for an active gel of exible polymer filaments crosslinked by a molecular motor cluster that perform reversible work while translating along the filaments. The filament end points are crosslinked to an elastic background. In this sense we employ a simplified model for motor clusters that act as slipping links that exert force while moving along the strands. Using the framework of replica theory, quenched averages are taken over the disorder which originates from permanent random crosslinking of network end points to the background. We investigate how a small motor force contributes to the elastic properties of the network. We learn that in addition to the normal elastic response for the network there is an extra contribution to the network elasticity from the motor activity. This depends on the ratio of the entropic spring constant for the linked bio-polymerchain to the spring constant of the tether of the motor. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Ons konstrueer en bestudeer 'n eenvoudige model vir 'n aktiewe netwerk van eksieble polimeerfilamente wat deur grosse van molekulere motors aan mekaar verbind word wat omkeerbare werk doen terwyl dit langs die filamente transleer. Die eindpunte van die filamente is aan 'n elastiese agtergrond verbind. In hierdie sin benut ons 'n eenvoudige model vir motorclusters wat as verskuifbare verbindings krag op die filamente tydens beweging kan uitoefen. Nie-termiese wanorde gemiddeldes word geneem oor die wanorde wat deur die lukrake permanente verbindings van netwerk eindpunte aan die agtergrond veroorsaak word. Ons ondersoek hoe 'n klein motorkrag tot die elastiese eienskappe van die netwerk bydra. Ons leer dat daar bo en behalwe die gewone elastiese respons vir die netwerk 'n elastiese bydrae as gevolg van die motors se aktiwiteit voorkom. Dit hang af van die verhouding van die entropiese veerkonstante van die biopolimerketting tot die veerkonstante van die anker van die motor.

Jean M.F. Martins, CR1 CNRS, LTHE (UMR 5564), CNRS, INPG, IRD, Univ. J. Fourier, Grenoble I Résumé : L'ensemble de mes travaux est basé sur une approche pluri et interdisciplinaire développée dans le but d'améliorer nos connaissances et la compréhension du comportement biogéochimique (sorption, biotransformation et transfert) et l'impact des micropolluants dans l'environnement, afin de mieux prédire l'exposition et les impacts sur notre santé ou celle de nos écosystèmes. Au moment ou des polluants émergeants sont détectés dans les eaux et les sols dès qu'on se donne les moyens pour les détecter, et alors que la directive européenne REACH se met en place, les approches de recherche monodisciplinaires montrent de plus en plus clairement leurs limites et font ainsi ressortir le caractère indispensable de la pluridisciplinarité dans l'approche de la problématique de la biogéochimie des polluants. C'est dans ce contexte que j'ai essayé, à chaque fois que cela était nécessaire et possible, de développer une approche interdisciplinaire en rupture avec les approches classiques, en abordant notamment les phénomènes couplés ou cinétiques, dans le but d'évaluer simultanément et de modéliser le comportement biogéochimique (sorption, biotransformation et transferts) et l'impact des micropolluants dans les sols à plusieurs échelles et dans différents contextes biogéochimiques. Les approches ainsi développées ont permis de caractériser les mécanismes de sorption des polluants dans le sol et dans ses différents compartiments, minéral, organique et biotique et d'établir l'effet de ces processus sur le transfert réactifs de ces polluants en combinant des approches expérimentales et théoriques en conditions dynamiques et en faisant appel à des dispositifs technologiques spécifiquement développés. La première partie de ce mémoire concerne l'étude des processus de sorption des micropolluants organiques et métalliques dans les sols, et des divers facteurs qui les contrôlent, notamment la spéciation chimique. Cette spéciation contrôle directement l'ambiance chimique dans les sols, qui correspond à un équilibre de la chimie et de la distribution des micropolluants entre les différents compartiments du sol. Ainsi les interactions des micropolluants avec les constituants abiotiques (minéraux et matière organique) et biotiques (microorganismes) des sols et leur modélisation ont été étudiées par des approches combinées de dynamique des systèmes (colonnes), chimie de solution (batch) et spectroscopiques ou microscopiques (spectroscopie EXAFS, MEB- et MET-EDX). Le premier exemple abordé a concerné la réactivité de composés organiques (dinitrophénols) en mono- et multi-contaminations. Pour cette dernière condition, il a été montré de manière originale l'existence de processus complexes et prépondérants de compétition pour les sites de sorption dans les sols et de synergie pour la toxicité, processus largement négligés dans les études classiques mono-polluants, qui ne sont que rarement représentatives de la réalité du terrain. Ainsi, ces phénomènes induisent des modifications importantes du comportement global de ces composés en termes de mobilité (cinétiques de transfert de masse), d'impact et de dégradabilité, rendant également leur prédiction très délicate car nécessitant la prise en compte des phénomènes de synergie et de compétition précités. La réactivité des micropolluants avec une des fractions les plus réactives des sols, la biomasse vivante, a également été étudiée au travers de trois modèles bactériens contrastés (Cupriavidus metallidurans CH34, Escherichia coli, Pseudomonas putida) par une approche combinée de spectroscopie X et de chimie de solution. Ainsi nous avons contribué à la validation d'un modèle universel de réactivité de surface bactérienne aux micropolluants, notamment métalliques, basé sur la prise en compte de groupements réactifs déjà connus, phosphoesters, carboxyles, ou nouvellement identifiés, sulfhydriles, par une approche d'absorption X et de modélisation thermodynamique. Ce modèle reste toutefois peu satisfaisant pour les structures biologiques complexes telles que les biofilms, qui présentent une réactivité largement sous-estimée en raison de la mise en jeu de substances polymériques extracellulaires (EPS) complexes, particulièrement abondantes dans ces structures. Ce volet constitue une de mes principales perspectives de recherche. Dans la seconde partie de ce mémoire, des approches en conditions statiques et dynamiques et mono et multi-pollutions ont permis d'évaluer la biodégradabilité et la biotransformation de contaminants traces en sols naturels. Leur impact sur le compartiment microbien a été évalué par des méthodes d'écotoxicologie classique (bio-indicateurs, marqueurs microbiologiques globaux) et par des méthodes plus innovantes (biocapteurs, biodiversité) permettant la mise en évidence du contrôle de la toxicité des contaminants par leur biodisponibilité, elle-même largement contrôlée par leur spéciation chimique, leur réactivité et leur diffusion au contact des cellules bactériennes (accessibilité). Ces études ont contribué à montrer le rôle important (prépondérant sous certaines conditions) des microorganismes dans la rétention et dans le transport des micropolluants dans les sols, phénomènes qui ont longtemps été négligés et restent encore aujourd'hui difficiles à évaluer in situ. Cela a constitué la dernière partie de ce travail qui présente une approche de dynamique des systèmes en colonnes de sols, permettant d'identifier et modéliser les conditions biogéochimiques impliquées dans le transfert réactif des polluants dans la zone non saturée des sols. Nous avons ainsi caractérisé les principaux facteurs biotiques et abiotiques contrôlant la mobilité des polluants et des bactéries dans les sols et développé une modélisation intégrant ces facteurs dominants. En plus d'être rapidement mobilisées dans les sols, certaines cellules bactériennes peuvent, sous certaines conditions, accélérer fortement le transport de polluants, comme nous avons pu le montrer avec le pentachlorophénol ou avec le Zn, le Cd ou le Cu et le prédire par une modélisation couplée hydrodynamique et géochimique. L'approche pluridisciplinaire et multi-échelle (moléculaire à macroscopique) développée dans ces travaux, fournit des connaissances nouvelles (i) pour la compréhension des cycles biogéochimiques des micropolluants dans les sols, et (ii) pour l'évaluation des risques liés à ces pollutions (notamment les multi-pollutions) et le développement de techniques de bioremédiation de sols et d'eaux contaminés. Mots clefs : Micropolluants, biotransformations, spéciation, écotoxicité, biodisponibilité, accessibilité, réactivité de surface, transfert réactif, bioremédiation, couplages, modélisation.

Un des buts de la recherche pharmaceutique est l'inhibition de protéines avec l'aide de petites molécules (ligands). L'une des phases clefs de ce procédé est la détermination du mode d'interaction entre un ligand et son récepteur. Cette tâche peut être entravée par l'absence de structure du complexe protéine-ligand. C'est pour répondre à ce besoin que nous présentons dans ce travail de thèse, une méthode capable de déterminer la structure de complexes protéine-ligands. Dans la méthode INPHARMA (Inter-ligands Nuclear Overhauser Effect for Pharmacophore Mapping), les inter-ligands NOEs (INPHARMA NOEs) sont utilisés pour déterminer l'orientation relative de deux ligands qui interagissent de manière compétitive avec un même récepteur. Cette nouvelle approche ouvre la voie à des applications pharmaceutiques, également au stade initial du développement, quand l'information structurale via la cristallographie par Rayons X est difficile d'accès.

Les interactions de la lumière avec les tissus biologiques sont à l'origine de plus en plus de techniques de caractérisation. Parmi elles, la mesure de la polarisation de la fluorescence offre la possibilité d'étudier l'organisation des tissus biologiques. L'objectif de ce travail était de mettre au point une méthode de mesure de l'anisotropie de fluorescence des tissus musculaires, afin de comprendre leur évolution structurale post mortem et de tracer des pistes en vue de l'élaboration de capteurs non destructifs de la qualité des aliments. Une revue bibliographique présente la notion d'anisotropie de fluorescence et la structure et les propriétés optiques des tissus musculaires. La mise en oeuvre des dispositifs expérimentaux est décrite. Un modèle mathématique basé sur la répartion géométrique et les propriétés du trytophane est proposé. Les différents plans d'expérience menés présentent le potentiel d'application de cette méthode pour la caractérisation des produits carnés

Nous avons étudié l'elasticité de molécule unique d'ADN et d'ARN. Nous avons montré que le couplage entre la traction et la rotation d'une molécule d'ADN permet d'obtenir des structures variées qui sont éloignées de quelques kT en énergie de la structure canonique Watson-Crick. Les fluctuations thermiques de longueur de la molécule expliquent le mécanisme d'interaction de la protéine RecA avec l'ADN. Les expériences de traction d'une molécule d'ARN unique montrent l'importance des réappariements transitoires au cours de la dénaturation mécanique.

This thesis describes my investigations into the principles underlying self-assembly of DNA origami nanostructures and discusses how these principles may be applied. To study the origami folding process I designed, synthesized and characterized a polymorphic tile, which could adopt various shapes. The distribution of tile shapes provided new insights into assembly. The origami tiles I studied were based on scaffolds derived from customized plasmids, which I prepared using recombinant DNA technology. I developed a technique to monitor incorporation of individual staples in real time using fluorescence, measuring small differences in staple binding temperatures (~0.5-5 °C). I examined the tiles using Atomic Force Microscopy and I found that a remarkably high proportion of polymorphic tiles folded well, which suggests that there are assembly <b>pathways</b>, arising from strong cooperation between staples. In order to analyse the tile shapes quantitatively, I developed a specialized image processing technique. For validation of the method, I generated and analysed simulated data, and the results confirmed that I could measure individual tile parameters with sub-pixel resolution. I studied eleven variants of the polymorphic tile, and I proved that minor staple modifications can be used to change the folding pathway dramatically. The strength of cooperation between staples affects their behaviour, which is also influenced by their length and base sequences. Paired staples are particularly significant in assembly, and there are clear parallels with protein folding. I describe in an Appendix how I applied origami assembly principles in the development of my concept for an autonomous rotary nanomotor utilizing the sequential opening of DNA hairpins (already used for linear motors). This device represents an advance over non-autonomous rotary motors and I have simulated its performance. In this thesis I have answered important questions about DNA origami assembly, and my findings could enable the development of more sophisticated DNA nanostructures for specific purposes.

L'adhérence cellulaire est un processus vital impliqué dans de nombreux phénomènes biologiques fondamentaux comme la diérenciation, la réparation tissulaire ou encore le développement cellulaire. Cette thèse porte sur une étude alliant expériences et modélisation de cellules uniques en adhérence sur des supports micro-structurés Les résultats montrent que la contrainte géomé- trique imposée par les supports à contraste adhésif limite l'adhérence. Au-delà de cette limitation, une organisation reproductible du cytosquelette d'actine est observée cela suggère l'existence de lois physiques simples régissant ce processus. Nous avons développé une méthode de classication des formes géométriques élémentaires observées expérimentalement nous permettant d'obtenir des statistiques robustes. En nous basant sur le modèle de Potts Cellulaire, nous avons pu reproduire les résultats expérimentaux. Ce modèle énergétique démontre que les formes élémentaires sont des états métastables utilisés par les cellules au cours de l'adhérence. Les paramètres du modèle sont reliés aux paramètres biologiques pertinents. Nous présentons des résultats qui relient la courbure des interfaces aux paramètres biologiques. Nous montrons que la mesure expérimentale de cette courbure est une représentation de la compétition entre la contractilité des bres de stress et l'élasticité du gel d'actine. Une correspondance entre les propriétés physiques issues du modèle et les processus biochimiques régulant et organisant l'adhérence cellulaire est ainsi possible.