<p>Climate change and the energy crisis are substantial challenges facing the human species, and they are projected to threaten life on our planet. For millions of years, the sun has been the main source of energy for life on Earth; this inspires ongoing research efforts focusing on a “sunlight to fuel” energy solution. Photosynthesis is nature’s tool to derive energy from the sun. Hence, scientists focus on the biochemistry of this phenomenon to employ photosynthesis in a man-made device. Such a device is able to convert solar energy to chemical energy through a light-driven cycle of the chemical reactions which produce hydrogen gas, later used as fuel. This process, often called “artificial photosynthesis,” needs efficient catalysts which can be incorporated into a molecular assembly and other microscopic structures or immobilized on an electrode surface. </p><p>Additionally, evolution, in the course of billions of years, chose manganese as an abundant and effective metal to facilitate the process of photosynthesis. These manganese atoms formed a cluster and an optimized ligand field to maximize efficiency. The photochemistry and photo-physics process behind photosynthesis is yet to be fully understood and implemented in a man-made apparatus with comparable efficiency and durability. </p><p>Photosynthesis requires a source of electrons. Water is an abundant molecule on earth that can provide the electrons needed for the photosynthesis. Although water is ubiquitous, it is one of the most stable molecules; hence, splitting it demands a well-designed system with strong oxidizing capability. Because a single atom of oxygen is highly reactive, there should be at least four oxidation states in the system to remove four electrons and release molecular oxygen: O2. The O-O bond formation is one of the most important steps in photosynthesis to fully understand. Lacking a thorough knowledge of this step prevents design and fabrication of robust and active water oxidizing catalysts. To fully understand O-O formation, one should perform a comprehensive study of each of the intermediates of the system. In other words, we need an understanding of the structure and electronic configuration of the system (natural or artificial) from the moment that a water molecule attaches to the catalyst (usually a metal core, central in the complex), until the moment that oxygen released as an O2 molecule. </p><p>There are multiple possible mechanisms to explain O-O formation. Two mechanisms that were extensively studied in this thesis are water nucleophilic attack and radical coupling. The prevailing view about oxygen formation in the catalysts that we study here explains the O-O bond formation by nucleophilic attack of a water molecule to a highly oxidized ruthenium (RuV=O) species. In this hypothesis, all polypyridine ligands that are coordinated to ruthenium remain neutral during the water oxidation process, while the formation of RuV=O (the key intermediate) would require a relatively high free energy (about 1.8 to 2 eV); use of computational (numerical) calculations determine this to be thermodynamically inaccessible. Furthermore, the failure of spectroscopic techniques to confirm the presence of RuV=O calls the validity of this model into question.)</p><p>Alternatively, radical coupling hypothesis considers another pathway to oxygen bond formation. Here, one of the nitrogen atoms coordinated to ruthenium in polypyridine plays a crucial role. We hypothesize that after formation of RuIV=O (which is spectroscopically observed), one nitrogen decoordinates from the metallic core (ruthenium) and oxidizes to form Ru-ON species. This N-oxide ligand can be further oxidized to form a ligand cation radical. It has been shown that [ligand-NO]+• can have almost no energy barrier for O-O bond formation via spin alignment. The study of the role of N-oxide is one of the main focuses of this work. Since this hypothesis does not require RuV=O nor water nucleophilic attack, it explains the process of water oxidation and opens further avenues for the design of future catalysts.</p><p>To confirm our hypothesis, I employed several spectroscopic methods and computational calculations. This new pathway predicts new intermediates exclusive to this model. Our objective is to prove their presence by in situ spectroscopy and test the possibility of formation of each intermediate computationally, to see if their formation is thermodynamically feasible. </p><div><br></div>

La microscopie par diffusion Raman Coh´erente Anti-Stokes (CARS) est une<br />m´ethode r´ecente d'imagerie dont le contraste provient de l'excitation r´eso-<br />nante s´elective de vibrations mol´eculaires intrins`eques d'une liaison ou d'un<br />ensemble de liaisons chimiques. Cette technique pr´esente l'avantage de s'af-<br />franchir de tout marqueur fluorescent qui peut ˆetre toxique pour un orga-<br />nisme biologique vivant. Elle permet aussi d'avoir une tr`es grande sensibilit´e<br />et une forte r´esolution spatiale, comparable `a celle de la microscopie confo-<br />cale. Le travail de cette th`ese concerne la r´ealisation d'un microscope CARS,<br />et sa mise en application `a diff´erents domaine de l'imagerie bio-m´edicale. Des<br />´etudes ont ´et´e men´ees d´emontrant les potentialit´es de cet outil, ainsi que sa<br />caract´erisation dans le domaine spatiale et spectral.

Les interactions lumière-matière dans les mileux moléculaires et bio-moléculaires peuvent mener à des processus complexes où les polarisations des champs optiques se couplent aux assemblages de dipoles de transitions moléculaires. La manipulation des polarisations des champs optiques en microscopie de uorescence peut en particulier donner accès à des modi cations nes d'arrangements moléculaires. Dans ce travail de thèse nous introduisons une méthode basée sur la variation continue d'un état de polarisation d'excitation complémentée par une analyse polarisée, appliquée à la microscopie de uorescence multi-photons. La uorescence à deux photons polarimétrique permet d'accéder à une information statique quantitative sur la forme et l'orientation de la distribution orientationnelle moléculaire dans des membranes lipidiques articielles, dans des cellules ou sur des composés molécluaires co-cristallins qui peuvent être fortement hétérogènes. La uorescence à trois photons polarimétrique apporte de plus un diagnostique de cristallinité dans des cristaux de protéines, avec une forte sensibilité à leur structure et symétrie. L'implémentation expérimentale de cette technique requiert de quantier les distortions de polarisation provenant du montage expérimental et de l'échantillon lui-même, qui sont nement analysés.

Les systèmes complexes propres à la biologie moléculaire sont des sujets d'investigations privilégiés pour la physique statistique hors équilibre. En particulier la dynamique des systèmes d'adhérents qui a déjà été l'objet de description théorique. Ces descriptions sont restreintes au comportement des plaques d'adhérence focales matures, dont la durée caractéristique est la dizaine de minutes et où beaucoup d'acteurs moléculaires différents interviennent, notamment le cortex d'actine. Cependant, la question des mécanismes moléculaires précoces, précédant la mise en place de ces structures, reste entière et ouverte. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle de transduction mécano-chimique bidirectionnelle — de l'intérieur de la cellule vers l'extérieur et inversement — en se basant sur le caractère allostérique de l'interaction entre les intégrines (sensibles aux propriétés des matrices extracellulalires) et un partenaire cytoplasmique activable, la taline. Ce travail se divise en trois parties : i) une modélisation du bord cellulaire qui repose sur le calcul du potentiel chimique du partenaire activable et de son cycle d'activation, ii) la résolution numérique et analytique des équations précédemment définies et iii) une évolution du précédent modèle où les intégrines sont laissés libres de diffuser et qui vont dans ce cas là se regrouper dans les zones de fortes contraintes.

<p>The fabrication of zone plate lenses that are used for focusing X-rays relies on nanofabrication techniques such as e-beam lithography, reactive ion etching, and electroplating. The circular grating-like zone plate pattern can have a smallest half-period, a so-called zone width, of down to 20 nm while it also needs to have a height that is 5 to 10 times the zone width to have good diffraction efficiency. This high aspect ratio structuring is a very challenging field of nanofabrication.</p><p>This diploma project has focused on improving the process step of fabricating the electroplating mold by cryo-cooling the polymer during the reactive ion etching with O₂. The low temperature causes passivation of the sidewalls of the mold during etching which results in a more ideal rectangular profile of the high aspect ratio plating mold.</p><p>By etching at -100 °C, structures with highly vertical sidewalls and no undercut were realized. The experiments showed that there is a tradeoff between the anisotropy of the zone profile and the formation rate of polymer residue, so-called RIE grass. Through a proper choice of process parameters the grass could be completely removed without introducing any undercut.</p> / QC 20100414

As teorias de envelhecimento biológico podem ser divididas em duas categorias: as teorias bioquímicas e as teorias evolucionárias. As teorias bioquímicas explicam o envelhecimento como oriundo das imperfeições dos mecanismos bioquímicos responsáveis pela manutenção da vida. As teorias evolucionárias explicam o envelhecimento sem recorrerem a mecanismos bioquímicos, mas sim a fatores adaptativos. Neste trabalho estudamos modelos teóricos de envelhecimento a luz das teorias evolucionárias. Um dos modelos evolucionários de envelhecimento mais bem-sucedido é o modelo Penna. Estudamos alguns de seus principais resultados, entre eles a senescência catastrófica e a lei de Gompertz. Discutimos também a versão sexuada do modelo, dando especial ênfase às conseqüências da fidelidade sexual e da seletividade sexual. Em 1995, simultaneamente ao surgimento do modelo Penna, foi proposto o modelo Heumann-Hotzel. Inicialmente este modelo não foi bem-sucedido devido a algumas características pouco realistas. Mas seu insucesso foi rapidamente suplantado por algumas modificações simples e essenciais. Neste trabalho investigamos, através de simulações numéricas, regimes alternativos de reprodução no modelo Heumann-Hotzel modificado. Os regimes estudados foram: reprodução sexuada com e sem recombinação genética, partenogênese meiótica, partenogênese apomítica, hermafroditismo e parassexo. Avaliamos qual a melhor estratégia evolutiva: haploidia ou diploidia, reprodução assexuada ou reprodução sexuada e, no último caso, com ou sem recombinação genética. Dentre os regimes reprodutivos analisados, um deles mereceu especial atenção. Propusemos uma versão sexuada do modelo Heumann-Hotzel modificado, onde a população tem o genoma cronológico baseado na assimetria dos cromossomos sexuais X e Y. O modelo foi denominado Modelo do Cromossomo Y. O cromossomo Y tem uma estrutura genética muito comprometida. Ele tem menos genes do que o cromossomo X e somente um terço do seu tamanho. O cromossomo Y apresenta inúmeras seqüências de genes repetitivos e uma minoria de genes funcionais. Nos homens, os cromossomos X e Y não se recombinam, enquanto que nas mulheres, seus cromossomos X se recombinam. A degeneração do cromossomo Y tem sido explicada pela não recombinação dos cromossomos X e Y. Os resultados deste trabalho sugerem uma explicação alternativa para a degeneração do cromossomo Y. Demonstramos que mesmo quando não há recombinação dos cromossomos sexuais, e com mutações atuando com mesma intensidade e freqüência, tanto em cromossomos X, quanto em cromossomos Y, a seleção natural leva a um desfavorecimento espontâneo do cromossomo Y. Concluímos que a seleção natural leva a degeneração do cromossomo Y. / Aging theories can be classified in two types: biochemical theory and evolutionary theory. The biochemical theories explain ageing due to imperfections on the biochemical process responsible for the maintenance of life. The evolutionary theories explain aging without any biochemical mechanisms. They support only adaptive strategies, such as reproduction, heredity, mutations and natural selection. In this work we studied theoretical aging models in the light of evolutionary theories. A successful ageing model was proposed by Penna in 1995. This model can reproduce a large amount of biological features. We present a review with its most important results, including catastrophic senescence and Gompertz law. We also present the sexual version of Penna model and some consequences of sexual fidelity and sexual selection. An alternative aging model was proposed in 1995, known as Heumann- Hotzel model. At the beginning, this model did not succeed due to some unrealistic features. A few modifications were necessary to give the model interesting properties. We studied, through numerical simulations, alternative forms of reproduction in the modified Heumann-Hotzel model, including sexual reproduction with and without crossing-over, meiotic parthenogenesis, apomictic parthenogenesis, hermaphroditism and parasex. We also investigated and compared what is the best strategy: haploid or diploid populations, asexual or sexual reproduction and, in this case, with or without crossing-over. One version of the sexual reproduction deserved special attention. We propose a sexual version of the modified Heumann-Hotzel model, in which the population\'s genomes have the same symmetry as the sexual chromosomes. This model was denominated Y Chromosome Model. In comparison to the other chromosomes, the Y is poor in genes and it is often called a genetic junkyard. It has fewer genes than X chromosome and one third of its length. Besides, the Y chromosome has a large amount of repetitive gene sequences and only a small number of them have some sort of function. In men, the X and Y-chromosomes do not recombine with each other, while in women their X chromosomes do recombine with each other. Today we know that the Y chromosome degeneration occurs due to its lack of recombination. In this work we show an alternative explanation for the Y chromosome degeneration. Even in the absence of recombination and when the same number and intensity of mutations are applied on the X and Y-chromosomes, more mutations are accumulated in the Y chromosome. We conclude that natural selection leads to Y chromosome degeneration.

A crise primordial da informação genética tal como delineada pelo modelo de quasi-espécies tem permanecido há mais de três décadas como um desafio as teorias de origem da vida e evolução pré-biótica. A despeito das diversas soluções propostas ao longo desse período, não há ainda uma que seja plenamente aceita pela comunidade científica. Dentro dessa gama de soluções, os modelos que usam uma abordagem de seleção em múltiplos níveis destacam-se como uma alternativa ao paradigma da área, o celebrado modelo de hiperciclos. Denominados modelos de vesículas pré-bióticas, entre os quais destaca-se o corretor estocástico, estes assumem a cooperação, de forma mais ou menos explícita, como ingrediente essencial para vencer a crise da informação genética. A cooperação tem sido vista como capaz de proporcionar um modo de contornar a crise sucitada por Eigen ao permitir a divisão da informação essencial em diversas partes, todas abaixo do limiar da catastrofe de erro. Entretanto, até muito recentemente, havia pouca literatura especializada explorando esta classe de modelos, especialmente no que tange à questões de coexistência. O objetivo desta dissertação é estudar mais profundamente alguns modelos deste tipo dando ênfase a este tipo de problema. Inicialmente, vamos explorar um modelo determinístico de seleção de grupo similar ao corretor estocástico, baseado no famoso Wright’s Island Model com algumas modificações. Em especial, relaxamos a necessidade de tempos de geração iguais nos dois níveis da dinãmica. Além deste, também vamos estudar uma versão menos restritiva do modelo de compartimentos original. Nos dois casos, a idéia geral é buscar as condições que garantam a coexistência dos diversos tipos de genes envolvidos. / The primordial genetic information crisis as defined by the Eigen’s quasispecies model, which can be used as a paradigm here, has been a challenge to any theory about the origin of life and prebiotic evolution for more than three decades. Despite several tentative solutions proposed along this period, there’s no consensual solution to the scientific community. Among that diversity of solutions, models that use a multilevel selection approach have been seen as an viable alternative to area’s paradigm, the hypercycles model. Those called prebiotic vesicle models, whose principal example is the stochastic corrector model, assume cooperation, in a more or less explicit fashion, as an essencial ingredient to solve the genetic crisis. Cooperation has been seen as capable of providing means to bypass the genetic crisis by dividing the essential information into several pieces, each one bellow the error threshold. Until recently, no complete treatment for such a model could be found in the specialized literature, specially in relation to replicators coexistence questions. So, the main purpose of this dissertation is the throughly exploration of some of those models with emphasis in coexistence aspects. Initially, we will explore a deterministic group selection model based in the celebrated Wright’s Island Model with some modifications. We relax some of the assumptions os the model to accommodate distinct time scales between the different levels of the model. Besides this model, we will study a less restrictive version of a compartment model. In both cases, we give special emphasis in the search of coexistence conditions that guarantee the survival of the different templates.

La déformation et le comportement dynamique d'une vésicule sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille) est étudié dans la limite de faibles nombres de Reynolds. Les cas de géométries non-confinée et confinée sont considérés. On fait usage de plusieurs méthodes: (i) un calcul analytique tridimensionnelle (théorie de faible déformation) (ii) des simulations bidimensionelle (méthodes de Boltzmann sur réseau et intégrale de frontière) dans le but de résoudre les équations hydrodynamiques correspondantes et de suivre explicitement la dynamique de la vésicule. La théorie analytique de faible déformation est utilisée pour construire le diagramme de phase résumant tous les régimes dynamiques connus pour une vésicule (chenille de char, bascule et vacillation-respiration) sous un écoulement de cisaillement. L'impacte de la variation des paramètres, contrôlant la dynamique, sur l'évolution de différentes quantités caractérisant chaque régime dynamique d'une vésicule est présenté. On utilise également la méthode de Boltzmann sur réseau afin de simuler la dynamique d'une vésicule dans une géométrie confinée (e.g. un micro-canal). Comme cas test, les formes d'équilibre d'une vésicule et son mouvement de chenille de char sous cisaillement ont été analysés. L'effet du confinement sur la dynamique de la vésicule a été examiné. La migration latérale d'une vésicule placée dans un écoulement de Poiseuille non-confiné et semi-confiné est traité en utilisant des simulations basées sur la méthode d'intégrale de frontière. Pour le cas de la géométrie non-confinée, on a trouvé que le caractère non linéaire de l'écoulement de Poiseuille combiné à la déformabilité de la vésicule, induit une migration latérale des vésicules vers le centre de l'écoulement. La présence d'une paroi délimitant le fluide externe induit également une force de portance. On a analysé la compétition entre la force de portance due à la paroi et celle du la courbure de l'écoulement de Poiseuille. Une loi donnant la vitesse de migration latérale (en fonction des paramètres caractérisant la vésicule et l'écoulement) est proposée et est en accord avec les résultats expérimentaux .

Ce travail de thèse porte sur l'utilisation des NanoDiamants Photoluminescents (NDPs) pour des applications en bio-imagerie. Les nanodiamants (NDs) sont photoluminescents grâce à la présence de centres colorés azote-lacune (NV) dans leur maille cristalline. Le manuscrit est divisé en deux parties. La première concerne l'étude des propriétés optiques des centres colorés NV dans des NDs. Après l'optimisation de la concentration des centres NV, nous comparons la photoluminescence des NDPs à celle des nanoparticules semi-conductrices commerciales; nous concluons qu'elle peut être équivalente, même supérieure dans le cas des NDPs. Pour augmenter le contraste d'imagerie intracellulaire des NDPs, nous avons étudié l'excitation à 2-photons des centres NV. Lors de cette étude avec un laser impulsionnel, nous avons découvert que le signal de photoluminescence des NDPs excité à un photon chute très fortement lorsque l'impulsion infrarouge est simultanée de l'excitation visible. Nous avons étudié la façon d'utiliser cet effet pour l'imagerie de super-resolution. La deuxième partie porte sur l'étude des applications des NDPs comme sondes pour la bio-imagerie. Dans le but d'utiliser des NDPs comme véhicules de biomolécules, nous avons étudié leurs mécanismes d'internalisation et avons élucidé leur localisation intracellulaire, en inhibant des voies différentes d'internalisation et par des expériences d'immunofluorescence. De plus, nous avons montré que les NDPs ne sont pas toxiques pour des cellules en culture. Un premier essai de vectorisation a été mené avec de NDPs couverts d'ADN plasmidique.

Beaucoup de tests de diagnostic médical sont réalisés sur le sang, qui est un échantillon représentatif d'états pathologiques complexes. La séparation des différents constituants du sang est surtout réalisée par centrifugation ; son passage en microsystème reste l'obstacle principal en vue de l'intégration complète de l'analyse sanguine. Notre but est donc de développer une technique simple et rapide, permettant de séparer les éléments sanguins de façon continue et efficace, et intégrable dans un laboratoire sur puce. Tout d'abord, des dispositifs microfluidiques innovants sont proposés pour l'extraction du plasma, fondés sur le couplage de différents phénomènes microfluidiques passifs. En particulier, ces dispositifs exploitent la couche appauvrie dans un écoulement en canal et l'amplifient par l'effet restriction ainsi que par des singularités géométriques. Un rendement d'extraction maximal de 17% est obtenu à partir de sang dilué au 1:20 et injecté à 100µL/min, soit une amélioration d'un facteur 4 par rapport au dispositif de référence. L'influence de la dilution de l'échantillon est analysée, et le plasma extrait est biologiquement validé. En parallèle, des méthodes de tri cellulaire par capture spécifique sont développées, fondées sur la fonctionnalisation de surface et le greffage d'anticorps. Une accroche spécifique et proportionnelle est mise au point et optimisée, à partir de sang total, pour chaque type cellulaire. Des solutions ont été proposées pour l'intégration de ces deux opérations unitaires, séparation microfluidique et tri cellulaire.