Thesis (Ph.D.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2005. / Includes bibliographical references (leaves 178-194). Also available in electronic version.

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Cette thèse développe, dans le cadre de la biophysique, des modèles théoriques centrés sur les interactions entre les bio-filaments, de longs polymères présents dans les cellules biologiques et les membranes biologiques, qui protègent les cellules de leur environnement. La thèse est divisée en trois parties, traitant différents systèmes. Dans un premier temps, un modèle admettant plusieurs états de courbure préférée des bio-filaments est développé. Ce type de filaments est forcé à former un anneau et leur interaction avec des membranes tubulaires qu'ils enlacent est discutée. Deuxièmement, les déformations de membranes biologiques modèles sous l'action de filaments appliquant des couples sont calculées, dans le régime linéaire. Finalement, la motilité de la bactérie Spiroplasma est abordée. Les résultats préliminaires d'un modèle élastique sont donnés. / This work focuses on the development of theoretical models in the framework of biophysics. In particular, it deals with the interactions between bio-filaments (long polymer chains found in biological cells) and biological membranes which protect cells from their environment. It is divided in three main parts, where different systems are studied. Firstly, a model going beyond the Worm-Like Chain model is developed to take into account different preferred states of curvature of the constituents of the bio-polymer chains. This kind of filaments are forced to close into a ring and their interactions with tubular membranes they entwine are discussed. Secondly, the deformations induced to biological membranes by torque-applying bio-filaments are discussed in the linear regime. Finally, the motility of the bacteria Spiroplasma. Preliminary results on an elastic model describing the cell motility are given.

Pendant la morphogenèse, la réparation des tissus et le cancer, les cellules peuvent migrer en manière mésenchymateuse et collective. Le cytosquelette est essentiel pour la migration, mais alors que l'actine et les microtubules ont été largement étudiés, le rôle des filaments intermédiaires (FIs) est encore largement inconnu. La déplétion des FI diminue souvant la vitesse de migration et les FI sont fréquemment surexprimé dans les tumeurs invasives. Pour ces propriétés, nous supposons que les FIs peuvent jouer un rôle clé dans la mécanique cellulaire pendant la migration.Pour étudier le rôle des FI dans la migration collective, nous avons utilisé des astrocytes, les principales cellules gliales du système nerveux central. Les astrocytes migrent collectivement pendant le développement et l'astrogliose en réponse à des signaux pathologiques ou traumatiques. Les astrocytes expriment trois principales FI cytoplasmiques: nestine, GFAP (protéine acide fibrillaire fibreuse) et vimentine, qui forment un réseau dense. Les FI sont surexprimé pendant l'astrogliose et dans les glioblastomes, des tumeurs cérébrales hautement invasives et létales. On ignore si la surexpression des FI est responsable de l'invasion du glioblastome.Au cours de la migration collective dans un test de blessure, les FI contrôlent le positionnement du noyau, la polarité et la migration. On montre que les FI régulent la migration collective dirigée de manière dépendante de la rigidité. Ils agissent avec la protéine connecteur cytoplasmique plectine pour contrôler les point focaux et les jonctions adhérentes. Les FI contrôlent la dynamique et l'organisation de l'actine et régulent la distribution des tractions cellulaires et des contraintes dans la monocouche migrante. Ces résultats démontrent le rôle crucial des FI dans les propriétés mécaniques des cellules migrantes. / During morphogenesis, tissue repair and cancer, cells can migrate in a mesenchymal and collective manner. The cytoskeleton is essential for migration, but whereas actin and microtubules have been extensively studied, the role of intermediate filaments (IFs) is still largely unknown. IF depletion generally decreases migration speed and IF proteins are frequently found upregulated in invasive tumours. Because of IF properties, we hypothesise that they may be key players in cell mechanics during migration. To study the role of IFs in collective migration we used astrocytes, the main glial cells of the central nervous system. Astrocytes migrate collectively during development and astrogliosis in response to pathological or traumatic signals. Astrocytes express three main cytoplasmic IFs: nestin, GFAP (Glial Fibrillary Acidic Protein) and vimentin, which form a dense network. IF proteins are upregulated during astrogliosis and glioblastomas, highly invasive and lethal brain tumours. Whether upregulation of IFs is responsible for glioblastoma invasion is still unknown. During wound-induced collective migration, IFs control nuclear positioning, polarisation and migration. We found that IFs regulate collective directed migration in a stiffness-dependent manner. They act in concert with the cytolinker protein plectin to control focal adhesions and adherens junctions. IFs control actin dynamics and organisation and regulate the distribution of cell tractions and stresses across the migrating cell monolayer. These results demonstrate the crucial role of IFs in the mechanical properties of migrating cells.

Les récentes avancées des méthodes de détermination structurale à basse résolution (microscopie électronique, dispersion de neutrons ou de rayons X aux petits angles) et de l'imagerie cellulaire révèlent l'importance des assemblages supramoléculaires dans le fonctionnement de la cellule. Ces structures sont actuellement hors de portée des méthodes classiques de la modélisation moléculaire, limitées à l'étude des assemblages moléculaires de taille moyenne. Nous proposons une approche multi-échelle appelée Heligeom, basée sur les mouvements de vissage, permettant de relier l'échelle atomique à l'échelle des gros assemblages moléculaires. Cette approche exploite la propriété des assemblages moléculaires de s'auto-organiser en une grande variété de motifs géométriques tels que les hélices, les anneaux ou les filaments linéaires. Couplée à l'exploration des modes d'assemblage protéine-protéine au moyen de simulations d'amarrage ou d'échantillonnage par Monte Carlo, cette approche permet l'exploration et la combinaison de ces motifs. L'application d'Heligeom à l'étude du filament de RecA, une protéine membre de la famille des recombinases, a pu apporter un nouvel éclairage sur les modes d'auto-association de RecA et la diversité des géométries correspondantes, ainsi que sur les conséquences structurales de l'introduction d'irrégularités dans ces oligomères.La suite logicielle Heligeom est disponible dans la bibliothèque libre PTools. / Recent progress in methods for low resolution structural determination (electron microscopy, small angle neutron or X-ray scattering) and 3D cell imaging reveal the importance of supramolecular assemblies in the cell function. These structures are presently out of the reach of classical molecular modeling methods, which are limited to the study of medium size assemblies. We propose a multi-scale approach called Heligeom, based on the screw representation of movements, which enables linking the atomic scale to the scale of large assemblies. This approach builds on the property of molecular assemblies to self-organize into a large variety of geometric motifs such as helices, rings of linear filaments. Coupled to the exploration of protein-protein assembly modes using docking or Monte Carlo simulations, this approach allows identifying and combining such motifs. Application of Heligeom to study the filaments of RecA, a member of the recombinase protein family, shed new light on the modes of RecA self-association and the diversity of corresponding geometries, as well as the structural consequences of introducing irregularities in these oligomers. The Heligeom suite of computational tools is freely available in the PTools library.

Les protubérances solaires sont de fascinantes structures magnétiques à grande échelle dans l'atmosphère solaire. Elles sont l'objet de recherches depuis des dizaines d'années mais des questions comme leur formation, leur stabilité et leur éruption ne sont toujours pas bien comprises. De grands progrès ont été obtenus dans ce domaine et celui des éruptions en particulier avec une combinaison d'observations synoptiques et continues depuis l'espace (voir SoHO/EIT, STEREO/SECCHI/EUVI, et SDO/AIA) et en spectro-imagerie multilongueurs d'onde. Depuis le lancement du satellite IRIS en 2013, beaucoup de résultats d'observations et de modélisations ont été obtenus grâce à la très haute résolution spectrale et spatiale d'IRIS tant en spectroscopie qu'en imagerie. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur les signatures observationnelles des processus mis en avant pour expliquer les éruptions de protubérances. Nous essayons aussi de déterminer les variations de conditions physiques d'une protubérance éruptive et d'estimer à la fois les masses de matière qui quittent le Soleil et celles qui retournent au Soleil pendant une éruption. En ce qui concerne les vitesses, nous parvenons à construire le vecteur vitesse en chaque pixel de la protubérance observée, grâce à la combinaison d'une méthode de "flot optique" appliquée aux images AIA 304 et IRIS Mg II h&k ce qui donne accès aux vitesses dans le plan du ciel, d'une part, et grâce à la technique Doppler appliquée aux profils IRIS Mg II h&k ce qui permet de calculer les vitesses le long de la ligne de visée, d'autre part. En ce qui concerne les densités et températures, nous comparons les intensités absolues observées avec les valeurs déduites de calculs de transfert radiatif Hors-Equilibre Thermodynamique Local, ce qui nous permet de construire des cartes de ces quantités. Les densités électroniques ainsi déduites sont dans la gamme 1.3E9 - 7.0E10 cm⁻³ et les densités totales d'hydrogène dans la gamme 1.5E9 – 3.6E11 cm⁻³ dans les diverses régions de la protubérance. La température moyenne est d'environ 1.1E4 K une valeur plus élevée que dans les protubérances quiescentes. Le degré d'ionisation varie entre 0.1 et 10. Les flux de masse à l'intérieur de la protubérance et leurs variations temporelles ont pu ainsi être calculés. La masse totale ainsi déduite est dans la gamme 1.3E14 - 3.2E14 g. La perte totale de masse de la protubérance vers la surface solaire évaluée sur la durée d'observation avec IRIS est d'un ordre de grandeur plus faible que la masse totale de la protubérance. Nous explorons aussi les corrélations entre indices spectraux observables dans les raies h et k de Mg II et des quantités physiques comme la densité et la mesure d'émission (ME). Nous avons choisi de calculer des modèles uni-dimensionnels (1D) isothermes et isobares en utilisant le code PRODOP_Mg NLTE disponible à MEDOC (IAS) et en procédant au calcul exact du rayonnement incident. Nous en déduisons des corrélations entre les intensités émergentes dans les raies h et k d'une part, et les densités et les ME d'autre part. Moyennant quelques hypothèses sur la température, nous établissons une relation entre les intensités k (et h) et la ME, une relation qui devrait être utile pour déterminer les densités d'hydrogène et d'électrons aussi bien que l'épaisseur effective d'une protubérance observée. Ainsi donc, l'évolution des propriétés morphologiques et thermodynamiques d'une protubérance éruptive ont été étudiées de dans cette thèse. Ces travaux conduisent à une meilleure compréhension de quelques aspects des protubérances (éruptives), tels la distribution et l'évolution des densités, de la température, des vitesses et du degré d'ionisation. Nous avons ainsi fourni des contraintes utiles à la modélisation des protubérances. Dans notre conclusion, nous résumons nos résultats et proposons quelques suggestions pour de futures analyses et observations et pour des capacités instrumentales optimisées. / Solar prominences are fascinating, large-scale magnetic structures in the solar atmosphere. They have been investigated for many decades, but the issues of their formation, stability, and eruption are still not well understood. Much progress has been made in our knowledge of prominences and their eruptions with both synoptic measurements from space (with SoHO/EIT, STEREO/SECCHI/EUVI, and SDO/AIA) and multiwavelength spectro-imaging. Since the launch of IRIS in 2013, a lot of results have been obtained in both observational and modeling domains with IRIS high spectral and spatial resolution imaging and spectroscopy. In this thesis, we focus on the observational signatures of the processes which have been put forward for explaining eruptive prominences. We also try to figure out the variations of physical conditions of the eruptive prominence and estimate the masses leaving the Sun vs. the masses returning to the Sun during the eruption. As far as velocities are concerned, we derive a full velocity vector for each pixel of the observed prominence by combining an optical flow method on the AIA 304Å and IRIS Mg II h&k images in order to derive the plane-of-sky velocities and a Doppler technique on the IRIS Mg II h&k profiles to compute the line-of-sight velocities. As far as densities and temperatures are concerned, we compare the absolute observed intensities with values derived from Non-Local Thermodynamic Equilibrium (NLTE) radiative transfer computations to build maps of these quantities. The derived electron densities range from 1.3E9 to 7.0E10 cm⁻³ and the derived total Hydrogen densities range from 1.5E9 to 3.6E11 cm⁻³ in different regions of the prominence. The mean temperature is around 1.1E4 K which is higher than in quiescent prominences. The ionization degree is in the range of 0.1 to 10. The mass flows in the prominence and their variations with time are consequently computed. The total mass is 1.3E14 to 3.2E14 g. The total mass drainage from the prominence to the solar surface during the observation of IRIS is about one order of magnitude smaller than the total mass of prominence. We also explore the correlations between the observable spectral features in h and k lines of Mg II to physical quantities such as the density and the Emission Measure (EM). We choose to compute one-dimensional (1D) isothermal and isobaric models using the PRODOP_Mg NLTE code available at MEDOC (IAS) with the exact computation of the incident radiation. Then we derive correlations between the k and h emergent intensities on one hand and the densities and EM on the other hand. With some assumptions on the temperature, we obtain a unique relation between the k (and h) intensities and the EM that should be useful for deriving either the hydrogen and electron densities or the effective thickness of an observed prominence. Thus, the evolution of the morphology and thermodynamic properties of an erupting prominence have been studied in the thesis. These investigations lead to our understanding in some aspects of prominences, e.g., the distribution and evolution of densities, temperatures, velocities and ionization degree. These could be useful constraints for theoretical prominence models. In the conclusion, we summarize our results and provide some suggestions for future analysis, observations and ideal observing capabilities.

La présence de structures filamentaires est souvent rapportée dans plusieurs machines de fusion nucléaire à confinement magnétique, spécialement sur lequel s'appelle Tokamak. Etant porteurs de grandes quantités des particules et chaleur, la présence des filaments dans le bord du tokamak (le scrape-off layer, SOL) pourraient poser des dangers aux superficies solides du tokamak. Pour mieux comprendre leur comportement, dans le cadre de cette thèse doctorale, les filaments sont étudiés par les expériences numériques en utilisant un modèle 3D fluide istherme, TOKAM3X en les considerant comme structures isolées et structures spontanées. Cette manière de les étudier permet de faire divers analyses paramétriques – par exemple la resistivité parallèle du plasma et la présence d'un cisaïllement magnétique, et au même temps les propriétés du filaments (comme sa longeur parallèle, et son intensité de densité). Ces études montrent un impact fort de la resistivité parallèle sur la velocité des filaments et en conséquence peut modifier leur temps de vie dans le bord de la machine. Les résultats des simulations sur le cisaïllement magnétique et la séparatrice indiquent qu'ils sont des ingrédients clés pour la destruction et génération des filaments. En plus, la comparaison entre les filaments initialisés (seeded) et les filaments formés spontanément montre qu'ils ne sont pas parreils dans leur comportement, bien que leurs characteristiques moyennées en temps sont bien conservées. / Filamentary transport has been experimentally observed in a multitude of magnetically confined fusion devices, especially of the tokamak type. Filaments are carriers of large quantities of particles and heat and as such, their presence in the SOL has implications for the target surface design in future fusion reactors. To better understand their nature, this doctoral thesis studies filaments through computer simulations as isolated structures and spontaneously forming structures, using a 3D fluid model called the TOKAM3X. Parametric studies using the model for studying the effect of the plasma's parallel resistivity and magnetic shear, and also the filament's parallel extension and size/density amplitude are performed and analysed. The studies reveal the strong impact of the parallel resistivity on filament velocities and hence their lifetimes in the SOL. The doctoral work also looked at the impact of strong local magnetic shear and the separatrix on the motion and generation of filaments. The results from the simulations performed reveal that strong shear mechanisms may be key to the destruction and formation of filaments. Further, a comparison of spontaneously forming and seeded filaments shows that seeded filaments do not behave completely the same way as spontaneously forming ones. But their mean velocity characteristics are still retained to a good degree.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / L'accumulation anormale de neurofilaments est une caractéristique pathologique de nombreuses maladies neurodegeneratives telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la neuropathie à axones géants (NAG) et la maladie de Charcot-Marie-Tooth (CMT). L'étude des animaux transgéniques surexprimant ou déficients pour les sous-unités des neurofilaments a mis en évidence que les agrégats axonaux de neurofilaments semblaient plus toxiques que les périkariaux pour les neurones moteurs. Des mutations ont récemment été découvertes dans le gène codant pour la gigaxonine et le gène codant pour la sous-unité légère des neurofilaments (NEFL), respectivement associés à la NAG et la CMT, deux maladies caractérisées par la présence d'axones géants. Nous avons tiré profit de ces découvertes pour générer deux nouveaux modèles de souris transgéniques. Nous avons dans un premier temps généré un modèle souris déficiente pour la gigaxonine. Les souris GanAex1:Aex1 montrent des niveaux protéiques élevés de filaments intermédiaires dans le système nerveux central ainsi que l'agrégation d'a-intemexine et de NF-H dans le cortex cérébral, sans toutefois développer de phénotype apparent ou d'axones géants. Néanmoins une faible dénervation ainsi qu'une atrophie des muscles inférieurs a été observée parallèlement à une perte d'axones moteurs. Dans un deuxième temps, nous avons créé un modèle de souris double transgénique dans lequel l'expression du mutant hNF-Lf228 peut être contrôlée par un système tet-off grâce à l'administration de doxycycline. Les souris hNF-L^tTa montrent une posture anormale des membres inférieurs dès l'âge de 6 mois. Ce phénotype est associé à une dénervation périphérique ainsi qu'une morphologie musculaire anormale, et une diminution du transport anterograde des mitochondries. L'abolition de l'expression de hNF-LP22S grâce au traitement à la doxycycline a réussi à améliorer de façon considérable le phénotype CMT des souris double transgéniques. L'étude de ces modèles transgéniques a mis évidence que de faibles changements dans le réseau de neurofilaments provoquent une dénervation périphérique ainsi qu'une perturbation du transport axonal. Le phénotype locomoteur ainsi que la dénervation sont même réversibles dans le cas des souris hNF-L^tTa. Abolir l'expression de mutant NEFL ou le neutraliser pourrait donc s'avérer une thérapie efficace.

Cette thèse est consacrée à la mécanique et à la mécanique statistique de biofilaments/biopolymères et de leur modèle le plus répandu le Worm-Like Chain (WLC) qu’il s’avère nécessaire d’étendre. Nous étudions WLC à 2-d en présence d’obstacles plus proches que la longueur de persistance. Nous caractérisons le mouvement aux temps courts par des simulations numériques complétées par des calculs analytiques. Des concepts similaires servent à décrire des ADN greffés balayés par le front d’une vésicule en cours d’étalement, l’adhésion de la vésicule est promue par des paires biotine/streptavidine qui contraignent les molécules d'ADN sur des chemins étroits où ils peuvent être imagés. Les microtubules (MT) ici stabilisés au taxol, présentent par contre certains comportements qui échappent au WLC et doivent être ramenés à leur structure interne : i)les déflexions latérales d’un MT attaché par un bout correspondent à une longueur de persistance apparente qui augmente avec la longueur ii) les MT adoptent des formes super-hélicoïdales. Ces deux points sont établis au moyen d’analyses de forme des MT. Des transitions de forme corrélées le long du MT mises en évidence sont compatibles avec un modèle basé sur la bistabilité du dimère de tubuline. Finalement un modèle de chaîne super-hélicoïdale comprenant une courbure et une torsion spontanées élargi le WLC. Confiné à 2-d, HWLC peut adopter un état fondamental circulaire ou sinueux caractérisé par le nombre de points d’inflexion où se concentre la torsion (twist-kink). Dans le cas circulaire, il existe des états métastables proches, à petit nombre de twist-kinks, hyperflexibles. / This PhD is devoted to the mechanics and statistical mechanics of biofilaments and their most widespread model, the Worm-Like Chain (WLC) model, which, as it turns out, needs to be extended. We study the WLC in 2-d in the presence of obstacles closer than their persistence length. We characterize the short time motion by numerical simulations complemented by analytical calculations. Similar concepts serve to describe grafted DNAs swept by the front of a spreading vesicle whose adhesion is promoted by biotin/streptavidin bonds, which constrain the DNAs on narrow paths where they can be imaged. Microtubules (MT), here stabilized by taxol, show features which cannot be rationalized by the WLC and shall be related to their internal structure : i)lateral deflections of a clamped MT correspond to an effective persistence length growing with the MT size ii) MT adopt super-helical shapes. These two points are proven by refined image analysis. We analyze shape transitions correlated along the MT which are compatible with a model based on dimer bi-stability. Finally, a super helical chain model (HWLC) allowing for spontaneous curvature and twist is developed which extends the WLC. When confined to 2-d, the HWLC can adopt a ground state which is circular or wavy with inflection points where twist accumulates, so-called twist-kinks. In the circular case there exist close metastable states, with a small number of twist-kinks, which are hyperflexible.

The Best PhD thesis in the Faculties of Dentistry, Engineering, Medicine and Science (University of Hong Kong), Li Ka Shing prize,2006-2007 / published_or_final_version / abstract / Biochemistry / Doctoral / Doctor of Philosophy