Thèses (M.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2000. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

La localisation d’ARNm a été découverte en 1983 dans les ovocytes et les embryons des ascidies. Depuis, plusieurs exemples d'ARN localisés ont été trouvés dans de nombreux organismes, y compris les plantes, les levures, les champignons, les insectes, les poissons et les mammifères. Les ARNm localisés contribuent à de nombreuses fonctions biologiques, telles que le développement embryonnaire, la division cellulaire asymétrique, la migration cellulaire, la signalisation, la plasticité neuronale et plein d’autres ...Jusqu'à présent, quelques études ont analysé la localisation d’ARNm de manière systématique. Trois d'entre eux ont été effectués chez la drosophile pendant l'embryogenèse, l'oogenèse ou le stade larvaire et ont analysé environ 16000 ARN au total. Les deux autres études ont été réalisées dans des cellules de mammifères et ont analysé près de 1000 ARNm chacune. Ces études ont montré l'importance de la localisation d’ARNm dans les cellules humaines et son implication dans différents processus biologiques. L'objectif de ma thèse était donc d'augmenter le débit des techniques FISH à l’échelle de molécule unique (smFISH) et d'étudier la localisation d’ARNm dans les cellules HeLa de manière systématique.Une limitation de smFISH est le coût de sondes fluorescentes, qui limite le nombre d'ARNm qui peut être analysé. Par conséquent, j'ai développé un protocole alternatif dans lequel des sondes pour de nombreux gènes ont été synthétisées comme un pool d'oligonucléotides (40 par gène en moyenne, plus de 12000 au total). Les sondes spécifiques d’un ARNm donné ont ensuite été amplifiées par PCR et converties en simple brin par transcription in vitro. J'ai généré un protocole complet, à partir de la conception de la sonde et jusqu'à l'acquisition de l'image. Je me suis intéressé à l’étude des ARNm du cycle cellulaire. En effet, les gènes du cycle cellulaire ont été largement étudiés au niveau de la protéine, mais on sait peu de choses sur la localisation de leurs ARNm. Pendant la mitose, les cellules subissent d'importantes modifications morphologiques et la traduction locale pourrait être un moyen d'atteindre la localisation des protéines. Le screening sur ces ARNm est en cours.Parallèlement à ces expériences, j'ai réalisé des expériences de smFISH sur 100 gènes choisis au hasard et 50 régulateurs de la transition G2/M du cycle cellulaire, en utilisant un protocole de smFISH classique. Dans cette configuration, on disposait d'une collection de lignées cellulaires HeLa, dans laquelle chaque cellule contient un chromosome artificiel bactérien avec le gène d'intérêt marqué au GFP. Par conséquent, en utilisant des sondes qui s'hybridaient à la séquence GFP, je pourrais utiliser le même ensemble de sondes marquées pour étudier la localisation de tous les ARNm. Un autre avantage est que la localisation des protéines pourrait être évaluée simultanément. Mes résultats indiquent que 4 ARNm ont montré une localisation spécifique lors du screening de 100 gènes choisis d’une manière aléatoire et 15 ARNm parmi les 54 régulateurs de la transition G2 / M. Ces ARNm appartiennent à cinq classes de localisation: "blobs", qui sont des agrégats d'ARNm cytoplasmiques; «clusters», qui sont des zones de concentration locale élevée d'ARNm, mais où une molécule unique d’ARNm peut encore être résolu; «nuclear membrane », où les ARNm se concentrent autour de l'enveloppe nucléaire; "spindle", qui sont des ARNm accumulés sur l'appareil de division mitotique, “spots" qui sont des agrégats d'ARNm cytoplasmiques où une molécule unique d’ARNm ne peut pas être résolu, et qui sont plus grands que les blobs. La colocalisation entre l'ARNm et la GFP, qui suggère une traduction locale, n'a été trouvée que pour 1 ARNm.Ces screenings aléatoires et ciblés effectués à petite échelle montrent une fréquence et une diversité inattendues dans les modèles de localisation d’ARNm. Cela ouvre la voie pour effectuer des screenings à plus grande échelle. / MRNA localization was discovered in 1983 in ascidian oocytes and early embryos. Since then many examples of localized RNAs have been found in many organisms, including plants, yeast, fungi, insects, fish and mammals. Localized mRNAs contribute to many biological functions, such as embryonic patterning, asymmetric cell division, cell migration, signaling, neuronal plasticity and others…Until now, only few studies analyzed RNA localization in a systematic manner. Three of them were done in Drosophila, during embryogenesis, oogenesis or larval stage and analyzed around 16000 mRNAs in total. The two other studies were done in mammalian cells and analyzed nearly 1000 mRNAs each. These studies opened a door and raised questions regarding the importance of mRNA localization in human cells and its implication in different biological processes. The goal of my thesis was thus to increase the throughput of single molecule FISH techniques (smFISH) and to study mRNA localization in HeLa cells in a systematic manner.One limitation in smFISH is the cost of the fluorescent oligonucleotide probes, which limits the number of mRNAs that can be analyzed. Therefore, I developed an alternative protocol in which probes for many genes were synthesized as a pool of oligonucleotides (40 per gene in average, more than 12000 in total). Gene-specific probes were then amplified by PCR and converted into single strand by in vitro transcription. I generated a complete protocol, starting from probe design and up to image acquisition. I was interested in studying cell cycle genes. Indeed, cell cycle genes have been extensively studied at the protein level but little is known concerning the localization of their mRNAs. During mitosis, cells go through important morphological modifications and local translation could be a mean of achieving protein localization. This screen is ongoing.In parallel to these experiments, I performed a smFISH based screen on 100 randomly chosen genes and 50 regulators of the G2/M transition of the cell cycle, using a traditional smFISH protocol. In this set-up, I took advantage of a library of HeLa cell lines, in which each cell line contains a bacterial artificial chromosome with the gene of interest tagged with GFP. Therefore, using oligonucleotides hybridizing to the GFP sequence, I could use the same probe set to study the localization of all the tagged mRNAs. A further advantage is that protein localization could be assessed simultaneously. My results indicate that two mRNAs showed a specific localization when screening 100 random genes, and 16 mRNAs among the 50 regulators of the G2/M transition. These mRNAs belong to five localization classes: "blobs", which are cytoplasmic mRNA aggregates; "clusters", which are areas of high local mRNA concentration but where individual mRNA can still be resolved; "nuclear envelope", where mRNAs concentrate around the nuclear envelope; "spindle", which are mRNAs accumulating on the cell division apparatus during mitosis, “spots" which are cytoplasmic mRNA aggregates where individual mRNA can’t be resolved and are bigger than blobs. Interestingly, colocalization between mRNA and GFP, which suggests local translation, was only found for 1 mRNA.These random and targeted screens performed at small-scale show an unexpected frequency and diversity in mRNA localization patterns, therefore pointing to new functions related to this process. This will stimulate future studies aiming at performing screenings at a higher scale.

Dans le cadre de l’étude expérimentale des états quantiques intriqués de particules uniques, il est nécessaire de développer des systèmes compacts, robustes et polyvalents. Motivés par la miniaturisation, la stabilité et la flexibilité apportées par les fibres optiques, nous présentons deux expériences où les fibres optiques servent d’interfaces pour piéger des atomes uniques et collecter les photons uniques émis. Dans un premier temps, en combinant une fibre optique monomode avec une lentille asphérique, un faisceau dipolaire permet de piéger un atome de rubidium unique par blocage collisionnel. Le refroidissement et le taux de pertes par collisions assistées par la lumière dans le piège dipolaire sont augmentés via une modulation de l’intensité du faisceau dipolaire dont l’effet sur la durée de vie de l’atome est expliqué. Une source fibrée de photons uniques à la demande est obtenue avec ce dispositif, produisant des photons dans un mode spatial et temporel à priori bien défini. Dans un second temps, nous présentons la conception d’une expérience couplant optimalement une chaîne d’atomes uniques piégés à une cavité Fabry-Pérot fibrée combinée avec une lentille à forte ouverture numérique pour imager et adresser les atomes individuellement. Un dispositif d’ablation laser de précision submicrométrique est alors construit pour réaliser et analyser in situ les formes de miroirs voulues à l’extrémité des fibres optiques. Nous présentons ensuite les cavités fibrées doublement résonantes avec une biréfringence contrôlée réalisées. Nous décrivons également le système expérimental construit pour la production rapide d’un nuage d’atomes froids et leur transport vers la cavité. / The experimental study of entangled quantum states of single particle ensembles requires development of compact, robust and versatile systems. Motivated by miniaturization, stability and flexibility provided by optical fibers as light wave-guides, we present two experiments where optical fibers are used as interfaces for single atoms trapping and single photons collection into their guided modes. The first experiment combines a single mode fiber with an aspherical lens to produce a dipolar beam in which we trap a single rubidium atom by collisional blockade. This fiber-pigtailed optical tweezer is a simple, compact and versatile tool for single cold atom production. Cooling and light-assisted collisional loss rate in the dipole trap are increased by modulating the dipole beam intensity. The modulation and beam polarization effects on atom lifetime are presented and explained. With this setup, we realized a triggered single photon source, whose photons have a priori well defined spatial and spectral mode due to the optical fiber and the atomic transition.In a second part, we present the design of an experiment which optimally couples a trapped single atom register to a fiber Fabry-Pérot cavity and where a high numerical aperture lens allows for individual imaging and addressing. A sub-micron precision laser ablation setup is built to create and to analyze in situ desired mirror shapes on optical fiberend faces. Then, we present the produced double resonant fiber cavities with controlled birefringence. Eventually, we describe the created experimental setup for fast cold atom cloud production and transport towards the cavity.

Dans ce travail de thèse, on s’intéresse aux applications des concepts d’antenne pour la manipulation de la lumière. Aux fréquences optiques, les antennes métalliques font intervenir des modes de surfaces dit plasmoniques permettant une forte interaction lumière/matière dans des volumes hautement confinés. Pour tirer partie de cette propriété, on s’intéressera à trois applications des antennes plasmoniques. D’abord dans le cadre des sources de photons uniques, on présentera une étude théorique et expérimentale des performances d’émetteurs uniques en présence d’une antenne planaire métallique. Nous proposerons ensuite une stratégie pour améliorer les performances de l’antenne. Puis dans le cadre de la génération électrique de lumière par effet tunnel inélastique, on analysera la modification des propriétés de rayonnement en présence d’un petit cylindre métallique. Cette analyse ouvre la voie à la conception de sources électriques intégrées de plasmons de surface. Enfin dans le cadre de la détection de molécules en faible quantité, on étudiera théoriquement l’interaction d’un faisceau infrarouge avec une couche de molécules résonnantes déposées sur un miroir métallique nanostructuré. / The work of this thesis has been devoted to a few applications of antenna concepts for the manipulation of light. In the optical range, surface modes called surface plasmon polaritons take place in the vicinity of metallic antennas, enabling a strong light/matter interaction within highly confined volumes. In order to take advantage of this property, three applications of plasmonic antennas will be investigated. First, in the case of single-photon sources, both theoretical and experimental studies of single-emitters performance when coupled to a planar metallic antenna will be presented. A strategy to enhance its performance will be studied theoretically. Then, in the case of electrical generation of light by inelastic electron tunneling, we will analyse the modification of radiation properties close to a metallic nano-rod. This analysis paves the way towards the design of integrated, compact electrical sources of surface plasmons. Finally, in the case of detecting a weak quantity of molecules, the interaction between an infrared light beam and a sub-nanometric layer of resonant molecules deposited on a nanostructured metallic mirror will be studied.

Une source de photons uniques est un émetteur lumineux capable de produire des impulsions contenant exactement un photon. Nous présentons le travail lié à la réalisation expérimentale et à la caractérisation statistique de deux types de sources de photons uniques: * Les sources déclenchées de photons uniques, reposant sur la contrôle de la fluorescence d'un émetteur individuel. Nous avons utilisé des molécules uniques ainsi que des centres colorés NV uniques du diamant comme émetteurs individuels. * Les sources de photons annoncés, reposant sur la préparation conditionnelle d'états à un photon à partir de paires de photons produites par fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Deux des sources de photons uniques réalisées ont été utilisées dans des expériences de distribution quantique de clé, dont les résultats illustrent les avantages que procure l'utilisation d'une source de photons uniques vis-à-vis de systèmes reposant sur des impulsions cohérentes atténuées.

La compréhension fondamentale de fonctions biologiques est accordée par l’imagerie de molécules uniques dans les cellules vivantes. Cet environnement nanoscopique est compliqué et largement mal compris. La microscopie de localisation permet cet environnement d’être sondé avec le suivi de molécules uniques. Depuis longtemps, l’obstacle principal qui empêcher la compréhension de processus physiques à cette échelle était la pénurie d’information accessible; de fortes hypothèses ne peuvent pas être établies à partir de quelques dizaines de trajectoires de molécules uniques. L’introduction des techniques de suivi de molécules à haute densité a recadré les possibilités. Dans cette thèse, les outils d’inférence Bayesienne ont été développé pour élucider le comportement de molécules uniques à partir la cartographie de leurs paramètres physiques de mouvement. Ces cartes décrivent, entre autre, les hétérogénéités aux échelles locales mais aussi à l’échelle de la cellule entière. Notamment elles dévoilent les détails quantitatifs sur les processus cellulaires de base. En utilisant cette approche cartographique, les interactions entre récepteurs et protéines d’échafaudage chez les neurones et les cellules non-neuronales sont étudiés. Une étude sur les interactions imprimées dans la cellule est également effectuée grace à un système prometteur d’impression de protéine. Les différents types d’interactions entre constructions chimériques du récepteur de glycine et de protéines d’échafaudage de géphyrine sont décrits et distingué in situ. Enfin, les perspectives vis-à-vis l’obtention de cartes tridimensionnelles de dynamiques de molécules uniques sont également commentées. / Imaging of single molecules inside living cells confers insight to biological function at its most granular level. Single molecules experience a nanoscopic environment that is complicated, and in general, poorly understood. The modality of choice for probing this environment is live-cell localisation microscopy, where trajectories of single molecules can be captured. For many years, the great stumbling block in comprehension of physical processes at this scale was the lack of information accessible; statistical significance and robust assertions are hardly possible from a few dozen trajectories. It is the onset of high-density single-particle tracking that has dramatically reframed the possibilities of such studies. Importantly, the consequential amounts of data it provides invites the use of powerful statistical tools that assign probabilistic descriptions to experimental observations. In this thesis, Bayesian inference tools have been developed to elucidate the behaviour of single molecules via the mapping of motion parameters. As a readout, maps describe heterogeneities at local and whole-cell scales. Importantly, they grant quantitative details into basic cellular processes. This thesis uses the mapping approach to study receptor-scaffold interactions inside neurons and non-neuronal cells. A promising system in which interactions are patterned is also examined. It is shown that interactions of different types of chimeric glycine receptors to the gephyrin scaffold protein may be described and distinguished in situ. Finally, the prospects of whole-cell mapping in three-dimensions are evaluated based on a discussion of state-of-the-art volumetric microscopy techniques.

La présente étude a été menée au sein d'une unité psychiatrique spécifique à Montréal où les patients disposent de plusieurs périodes de temps libres durant lesquelles peu d'entre eux s'occupent de manière active et autonome. De façon exploratoire, des programmes de modification du comportement (PMC) basés sur une approche collaborative et le renforcement positif ont été mis en place dans le but de favoriser le développement d'un loisir autonome chez trois sujets cliniques souffrant de troubles sévères et persistants. L'efficacité de ces PMC a été évaluée à l'aide d'un schème à cas uniques dans lequel étaient manipulés à la fois le niveau de base en fonction des individus et les critères de performance. Dans le but d'optimiser les facteurs de réussite dans l'instauration de tels programmes cliniques, cette étude s'est aussi intéressée aux intervenants de l'unité psychiatrique qui appliquent les PMC. Pour ce faire, un questionnaire pré-post PMC sur les croyances/satisfactions envers les PMC a été présenté aux intervenants et une formation suivie par un groupe d'échanges sur le thème de la modification de comportement leur a été proposée. De part la complexité des problématiques affectant les trois sujets cliniques, il demeure difficile d'établir réellement le niveau d'efficacité de chaque programme en fonction de critères simples et précis. Cependant, les trois sujets ont démontré leur capacité à apprendre un loisir, mais un seul sujet a complété le protocole. Les deux autres sujets ont vu leur PMC terminé précipitamment en accord avec le fonctionnement de leur programme général d'intervention individuelle (PII). Bref, un seul sujet a modifié son comportement conformément aux critères préétablis en fonction de l'efficacité expérimentale et thérapeutique, mais les résultats des deux autres sujets suggèrent que leur performance a probablement reflété davantage une réaction propre à leurs caractéristiques personnelles qu'une réponse occasionnée uniquement par le programme mis en place. Chez les intervenants, le taux de réponse au questionnaire est demeuré insuffisant pour tirer des conclusions. Plusieurs possibilités peuvent venir expliquer ces résultats, comme la résistance au changement, l'instrument de mesure ou le déroulement de la recherche. La capacité à développer une habileté de loisir chez les sujets cliniques pourrait varier en fonction du type de motivation préalable au programme et aussi selon des variables personnelles. Les PMC apparaissent comme une stratégie thérapeutique appropriée à la clientèle et au milieu thérapeutique, tout en s'adaptant aux valeurs actuelles en santé mentale. Malgré les résultats mitigés, il est possible de conclure qu'une approche basée sur la collaboration et le renforcement positif dans le développement d'une activité de loisir durant les périodes libres dans une unité psychiatrique serait une avenue thérapeutique prometteuse.

Cette thèse présente les premiers travaux réalisés autour d’un nouveau dispositif expérimental de piégeage d’atomes individuels utilisant une unique lentille asphérique de grande ouverture numérique. Au cours de cette thèse, nous avons testé les propriétés optiques de la lentille et démontré la formation d’un col laser de 1 µm ainsi qu’un champ transverse sur lequel la lentille est limitée par diffraction de plus ou moins 25 µm. Après avoir démontré la capacité de ce système à piéger des atomes uniques, les caractérisations usuelles des conditions de piégeage ont été conduites: durée de vie, taux de chauffage, polarisation de la lumière de fluorescence, fréquences d’oscillations. Cette thèse s’est intéressée spécifiquement à la distribution d’énergie des atomes uniques piégés. La technique de lâcher et recapture combinée à une étude spectroscopique de l’occupation du piège par les atomes a conduit à la vérification du caractère thermique de la distribution d’énergie des atomes. Par un refroidissement laser combiné à un refroidissement adiabatique, une température minimale de 1,75 µK sans pertes d’atomes est obtenue avec un niveau vibrationnel moyen occupé égal à 4. Ces résultats sont très encourageants dans le contexte de l’information quantique où la température est souvent la principale limite physique à la durée de vie des cohérences d’un bit quantique. La dernière partie de cette thèse revient sur la problématique de la manipulation spatiale d’atomes uniques. Envisagé dans le cadre de la réalisation d’un calculateur quantique, le transfert d’un bit quantique et son déplacement dans l’espace sur une échelle compatible avec les caractéristiques d’un calculateur sont successivement étudiés. Ces travaux ont montré que ni l’état externe des atomes (au travers de leur température) ni leur état interne (à travers la durée de vie des cohérences d’un bit quantique) sont affectés par ce type de manipulations. / This thesis presents the early work done on a new setup that we have developped for trapping single atoms in an optical tweezer using only one diffraction limited large numerical aperture aspheric lens. Together with an experimental optical measurement of a 1µm laser beam waist created by such an aspheric lens, we showed that the diffraction limited transverse field of the lens is about plus or minus 25 µm. The ability of this new setup to trap single atoms is demonstrated and some crucial parameters are then determined : survival time in the dark, heating rate, fluorescence light polarisation, oscillation frequencies. During this PhD, we did focus our attention especially on determining the energy distribution of the single trapped atoms. A release and recapture technique along with the spectroscopic study of the energy levels occupation helped us show a termal behavior of a succession of single atoms in an optical twezer. By using common laser cooling techniques associated with adiabatic down ramping cooling, we showed that a reduction by a factor 100 of the mean energy corresponding to a mean vibrationnal energy level of about 4 and a minimum temperature of 1,75 µK. Spatial manipulation of single atoms and qubits was also studied. Using a tip-tilt platform, a second trap is set on the experiment and the transfer from one trap to the other, as well as the displacement of one trap with help of the platform, are experimentally studied. Both the temperature of the atoms and the qubit lifetime are showed to be insensitive to these manipulations.

L'imagerie par diffraction des rayons X coh´erents (CDI) en condition de Bragg est utilis´e pour ´etudier la d´eformation de nano-objets uniques. Ceci est possible grˆace au d´eveloppement d'optique focalisante, comme les lentilles de Fresnel (FZP), produisant un faisceau sub-micronique coh´erent. Les nanostructure ´etudi´ees sont reconstruite avec des algorithmes d'inversion `a partir de donn´ees de diffraction, sous la forme d'un objet complexe, o`u l'amplitude correspond `a la densit´e ´electronique 3D et la phase correspond `a la projection de la d´eformation de l'objet (par rapport `a un r´eseau cristallin parfait) dans la direction du vecteur de diffraction. Dans ce travail, nous avons ´etudi´e la d´eformation dans des nanofils h´et´erognes (nanofil de GaAs avec une mono-couche de boˆıtes quantiques de InAs) et homog`enes (silicium fortement contraint sur isolant (sSOI)). Lorsqu'un faisceau focalis´e de rayons X est utilis´e, `a la fois l'amplitude et la phase de l'onde incidente doivent ˆetre connu pour une ´etude quantitative. Le faisceau focalis´e utilis´e pendant les exp´eriences a ´et´e recontruit avec la technique CDI, et les effets de cette fonction d'illumination sur l'imagerie de nanofils contraints ont ´et´e ´etudi´es. Mots-cl´es: Imagerie par diffraction x coh´erente, contrainte, nanofils, algorithms d'inversion / The coherent diffraction imaging technique (CDI) in Bragg condition can be used to study strain in single nanowires. This is possible due to the recent development of dedicated focusing optics, e.g. Fresnel Zone Plate (FZP), offering the possibility of focusing x-ray beams to sub-micron sizes while preserving a coherent beam. This technique allows to reconstruct (using phase retrieval algorithms) the studied nanostructure as a complex-valued density map, where the amplitude corresponds to the electronic density and the phase to the displacement of the atoms with respect to a perfect crystalline lattice projected onto the scattering vector. The application of CDI to image the strain into heterogeneous (GaAs nanowire with an insertion of 1 monolayer of quantum dots and InSb nanowire with and insertion of InP) and homogeneous highly stressed nano-structures (strained Silicon-on-Insulator lines) has been studied in this work. When using focused X-ray beams, both the amplitude and of the incoming wavefield must be known for a quantitative reconstruction. CDI has been used to reconstruct the coherent wavefield used during experiments and the effects of this illumination function for the imaging of strained nanowires have been also studied. Keywords: Coherent X-ray diffraction imaging, strain, nanowires, phase retrieval algorithm

Les communications quantiques (QC) longues distances sont tributaires de l'existence de sources efficaces de photons uniques dont la longueur d'onde doit être adaptée aux communications dans les fibres optiques (1550nm). Ce manuscrit présente l'étude et la réalisation expérimentale d'une source de photons uniques annoncés, basée sur l'utilisation de paires de photons issues d'un guide d'onde intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Le principe repose sur la séparation des photons d'une paire et la détection de l'un sert à annoncer la présence de l'autre. Aussi, ce guide d'onde nous permet de venir récolter les paires de photons simplement à l'aide d'une fibre optique monomode, gage de compacité et stabilité de la source. <br />L'intervalle de temps entre deux paires successives n'étant pas définit, cette source présente un fonctionnement dit « asynchrone ». Afin de caractériser les performances de ce type de source, nous proposons deux méthodes expérimentales originales. La première repose sur un modèle d'analyse des statistiques des détections dans un montage de type « Hanburry Brown & Twiss » pour remonter aux probabilités d'avoir 0, 1 ou 2 photons, tandis que la seconde est une « version asynchrone » du montage original de « Hanburry Brown & Twiss » pour tracer la fonction de corrélation croisée du second-ordre. Les performances de cette première source de photons uniques aux longueurs d'ondes télécom se situent parmi les meilleures au monde avec une probabilité d'avoir un photon unique à 1550nm de 0,37 accompagnée d'une réduction des événements à deux photons d'un facteur 12 par rapport à une source poissonnienne équivalente.