Publications

2008

• Imagerie du collagène par microscopie multiphotonique.
  
  • Strupler Mathias
  , 2008. Le développement de nouveaux outils et de nouvelles techniques pour la biologie et la médecine a toujours été un moteur pour la recherche en microscopie. Les premiers microscopes permirent à Antoine Von Leeuwenhoek en 1677 de découvrir les bactéries, les spermatozoïdes et les globules rouges et aujourd'hui nous cherchons à visualiser les processus intracellulaires, l'interaction des protéines, l'interaction des cellules dans les tissus... Chaque année de nouvelles techniques apparaissent pour voir plus petit, plus spécifique, plus physiologique. Le laboratoire d'optique et biosciences dans lequel j'ai effectué ma thèse s'intéresse plus particulièrement aux techniques de microscopie multiphoton. Ce type de microscopie, qui re- pose sur les interactions non linéaires entre la matière et la lumière, est principalement utilisé aujourd'hui pour suivre des marqueurs fluorescents dans les tissus grâce au processus de fluo- rescence sous excitation à deux photons. En cela, elle sert à suppléer la microscopie confocale pour visualiser des phénomènes à des profondeurs de pénétration qui lui sont inaccessibles, et permet ainsi de travailler sur l'ensemble d'un tissu. Toutefois, la microscopie multiphoton ne se borne pas à la fluorescence sous excitation à 2 photons ; elle donne aussi accès à des processus non linéaires comme la génération d'harmoniques ou l'émission Raman anti-Stockes stimulée. Ces interactions non linéaires sont encore peu utilisées en biologie et font l'objet de recherches dans notre laboratoire. L'un des processus non linéaires étudiés au laboratoire est la génération de second harmo- nique (SHG). Celle-ci a été mise en évidence en 1961 par P. A. Franken[1] dans des cristaux non linéaires et s'utilise couramment pour doubler la fréquence des lasers. En 1979, ce proces- sus a été appliqué en biologie par Samuel Roth et Isaac Freund[2] sur des tendons de rat où l'organisation du collagène permet d'obtenir l'effet non linéaire. Presque trente années se sont écoulées depuis cette expérience, mais la génération de second harmonique par le collagène reste mal comprise. De plus, même si de nombreuses études ont montré le potentiel de cette technique, elle reste peu utilisée par les biologistes. Cette thèse, sous la direction de Marie-Claire Schanne-Klein, veut répondre à plusieur questions : - Quel est le rôle de l'organisation submicrométrique du collagène dans la génération du signal de second harmonique ? - Que peut apporter cette technique dans la visualisation du collagène par rapport aux autres techniques déjà existantes ? - Quelle est la pertinence de cette technique pour répondre à des problématiques biolo gique ? Nous nous sommes focalisés sur la fibrose qui est une accumulation anormale de collagèn dans les tissus. Une thèse précédente réalisée dans notre laboratoire par Ana-Maria Pena avai déjà montré le potentiel de la génération de second harmonique pour évaluer la gravité d fibroses pulmonaires induites par la bléomycine. Toutefois, ces études réalisées en collabora tion avec le service de pneumologie de l'hôpital Bichat sont restées à l'état de démonstration de principe. Nous avons alors engagé une collaboration étroite avec une équipe de néphro logues composée de Pierre Louis Tharaux, Monica Hernest et Cécile Fligny (Cardiovascula Research Center Inserm Lariboisière INSERM U689, France) qui travaillent sur les phéno mènes de fibroses dans le rein, et nous avons appliqué la microscopie par génération de second harmonique à cette problématique biomédicale. Dans ce manuscrit, le premier chapitre introduit les notions biologiques sur le collagèn et la fibrose nécessaires à la compréhension de la suite. Le deuxième chapitre présente le diverses techniques de visualisation du collagène, insiste sur les principes et le dispositif d microscopie multiphoton et enfin développe une modélisation du signal de génération de se cond harmonique par le collagène observé en microscopie. Nous proposons ensuite dans l troisième chapitre une méthodologie pour quantifier la fibrose rénale, que nous validons su un modèle murin de fibrose rénale. Enfin, le dernier chapitre est consacré à l'application d notre méthodologie à diverses problématiques biologiques liées à la fibrose rénale.
• Dynamique de repliement des protéines étudiées par dichroïsme circulaire résolu en temps.
  
  • Niezborala Claire
  , 2008. Pour exprimer sa fonction biologique, une protéine doit adopter une conformation spatiale unique et très précisément définie. On parle de " repliement " vers la structure " native ". La compréhension des mécanismes accompagnant ce processus est actuellement l'un des principaux enjeux de la recherche en biophysique. Dans ce contexte, nous avons mis en place une technique originale de mesure du dichroïsme circulaire, permettant de suivre avec précision les dynamiques structurales de petites molécules chirales en phase aqueuse, sur des échelles de temps allant de la picoseconde à la nanoseconde. Appliquée dans le domaine de l'ultraviolet, elle permet d'étudier les premières étapes du repliement de structures secondaires modèles. Le principe de cette technique repose sur la mesure de l'ellipticité induite par un milieu chiral sur une onde initialement polarisée linéairement. Après avoir présenté cette nouvelle méthode, nous montrerons comment la mettre en œuvre expérimentalement. Nous la comparerons ensuite aux techniques usuelles de mesure du dichroïsme circulaire, et l'appliquerons à l'étude de trois molécules (myoglobine, [Ru(phen)3]2+, 1,1'-Binaphthol). Enfin, nous nous intéresserons aux premiers résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de l'étude du repliement en hélices alpha de polypeptides modèles. Deux techniques d'initiation du repliement seront examinées : l'excitation optique d'un chromophore greffé à l'extrémité de la chaîne peptidique, puis l'induction optique d'un saut de température.
• Understanding the NO-sensing mechanism at molecular level
  
  • Yoo Byung-Kuk
  • Lamarre Isabelle
  • Martin Jean-Louis
  • Négrerie Michel
  , 2008, 124, pp.517. We present here how ultrafast time-resolved spectroscopy improves our understanding of a new class of proteins: Nitric Oxide sensors. Nitric oxide (NO) is a small, short-lived, and highly reactive gaseous molecule and it acts as a second messenger in several physiological systems. NO sensors are proteins which bind NO and are able to translate this binding into a signal for mammal cells as well as in bacteria. We have studied NO-sensors with the goal of understanding the activation and deactivation mechanism of the human NO-receptor, the enzyme guanylate cyclase (sGC), which is involved in communication between cells. Some bacterial sensors of NO (SONO) have structural homologies and common properties with sGC, but also have differences with sGC which make them valuable system to get structural and physiological information on sGC. To understand how NO-sensors interact with NO and control its reactivity, it is essential to probe dynamics and interactions when NO is present within protein core and what are the associated structural changes. For this purpose, we have used time-resolved absorption spectroscopy in the picoseconds (10(-12)s) time domain. NO can be photodissociated from heme by the pulse of femtosecond laser. Time-resolved transient absorption spectra on NO-sensors were recorded and NO-protein interacttion were recorded. In case of cytochrome c', we identified the formation of 5-coordinate (5c)-NO and 5c-His hemes from 4c-heme and demonstrate that proximal histidine precludes NO rebinding at the proximal site. In bacteria, the adaptation of SONO to temperature changes was not achieved by a simple temperature-dependent NO binding equilibrium, but by a change of the proportion between 5c-NO and 6c-NO species. This amplifies the response to temperature changes since a fast NO rebinding is the only property of a 5c-NO leading to 4c-heme after dissociation. Our results of NO dynamics provide a model for the regulation at molecular level in NO-sensing function. (10.1007/978-3-540-85190-5_56)
  DOI : 10.1007/978-3-540-85190-5_56
• Only eNOS among the NOS isoforms is a nitrite reductase under hypoxia
  
  • Slama-Schwok Anny
  • Mikula Ivan
  • Martasek Pavel
  • Durocher Suzanne
  • Mutus Bulent
  • van Fassen Ernst
  , 2008, 19 (Supplément), pp.54. (10.1016/j.niox.2008.06.146)
  DOI : 10.1016/j.niox.2008.06.146
• Selective addressing of a novel nanotrigger to the NADPH site of the endothelial NO-Synthase and synchronous photo-initiation of the catalysis
  
  • Lambry Jean-Christophe
  • Martasek Pavel
  • Blanchard-Desce Mireille
  • Slama-Schwok Anny
  , 2008, 19, pp.36. (10.1016/j.niox.2008.06.071)
  DOI : 10.1016/j.niox.2008.06.071
• Contrast mechanisms in third-harmonic generation microscopy of cells and tissues
  
  • Débarre Delphine
  • Olivier Nicolas
  • Supatto Willy
  • Desprat Nicolas
  • Martin Jean-Louis
  • Schanne-Klein Marie-Claire
  • Farge Emmanuel
  • Beaurepaire Emmanuel
  , 2008.
• Understanding the mechanism of nitric oxide sensors and receptors at molecular level
  
  • Yoo Byung-Kuk
  • Lamarre Isabelle
  • Martin Jean-Louis
  • Andrew Colin R.
  • Nioche Pierre
  • Négrerie Michel
  , 2008, 124, pp.517-524.
• Flavin-dependent thymidylate synthase ThyX : a structure-function analysis
  
  • Liebl Ursula
  , 2008.
• A model for thermal exchange in axons during action potential propagation.
  
  • Masson Jean-Baptiste
  • Gallot Guilhem
  European Biophysics Journal, Springer Verlag (Germany), 2008, 37 (6), pp.1001-1006. Several experiments have shown that during propagation of the action potential in axons, thermal energy is locally exchanged. In this paper, we use a simple model based on statistical physics to show that an important part of this exchange comes from the physics of the effusion. We evaluate, during the action potential propagation, the variation of internal energy and of the energy associated with the chemical potential of the effusion of water and ions to extract the thermal energy exchanged. The temperature exchanged is then evaluated on the area where the action potential is active. Results give a good correspondence between experimental work and this model, showing that an important part of the thermal energy exchange comes from the statistical cooling power of the effusion. (10.1007/s00249-008-0329-5)
  DOI : 10.1007/s00249-008-0329-5
• Fast ligand and electron transfer dynamics in oxidases and cytochrome c
  
  • Vos Marten H.
  , 2008.
• Procédé et système de microscopie mon-linéaire cohérente à modulation de volume focal pour sonder la nanostructuration de matériaux organisés
  
  • Beaurepaire Emmanuel
  • Olivier Nicolas
  • Débarre Delphine
  • Schanne-Klein Marie-Claire
  • Martin Jean-Louis
  , 2008.
• Rebinding of proximal histidine in the Cytochrome c' from Alcaligenes xylosoxidans acts as a molecular trap for nitric oxide
  
  • Yoo Byung-Kuk
  • Martin Jean-Louis
  • Andrew Colin R.
  • Négrerie Michel
  , 2008, 92, pp.556-558. Transient absorption spectra on cytochrome c' and their kinetics were recorded to identify the formation of 5-coordinate (5c)-NO and 5c-His hemes from 4c-heme (99% and 1% amplitudes; 7-ps and 100-ps time constants, respectively). We demonstrate that proximal histidine precludes NO rebinding at the proximal site. (10.1007/978-3-540-95946-5_180)
  DOI : 10.1007/978-3-540-95946-5_180
• Photoselection Polarization Experiments Reveal Ultrafast Electron Hopping Between Distinct Aromatic Residues in the Flavoprotein DNA Photolyase
  
  • Lukacs Andras
  • Eker Apm
  • Byrdin Martin
  • Brettel Klaus
  • Vos Marten H.
  , 2008, 92, pp.604-606. Flavin-excitation initiated electron transfer along three tryptophan amino acids in DNA photolyase was studied. Combining ultrafast polarization and side directed mutagenesis approaches the chain was shown to allow very efficient long-range transprotein electrontransfer in picoseconds. (10.1007/978-3-540-95946-5_196)
  DOI : 10.1007/978-3-540-95946-5_196
• A new technique to measure time-resolved circular dichroism : ultrafast conformational dynamics of 1,1'-bi-2-naphthol
  
  • Niezborala Claire
  • Hache François
  , 2008, 92, pp.388-390. Using a new technique to measure time-resolved circular dichroism in a pump-probe experiment, we study the conformational relaxation in photoexcited (R)-(+)-1,1'-Bi-2- naphthol. The dihedral angle decreases of ca 20-30° in 100 psec in Ethanol. (10.1007/978-3-540-95946-5_126)
  DOI : 10.1007/978-3-540-95946-5_126
• Direct observation of ligand transfer and bond formation in cytochrome c oxidase using mid-infrared chirped-pulse upconversion
  
  • Treuffet Johanne
  • Kubarych Kevin J.
  • Lambry Jean-Christophe
  • Pilet Eric
  • Masson Jean-Baptiste
  • Martin Jean-Louis
  • Vos Marten H.
  • Joffre Manuel
  • Alexandrou Antigoni
  , 2008, 92, pp.541-543. We time resolved the CO ligand transfer process in the bimetallic active site of cytochrome c oxidase, using mid-infrared chirped-pulse upconversion to observe the full vibrational signature of Fe-CO bond breaking and CuB-CO bond formation. (10.1007/978-3-540-95946-5_175)
  DOI : 10.1007/978-3-540-95946-5_175
• La Nano-Biophotonique au USA
  
  • Rigneault Herve
  • Marguet D.
  • Alexandrou Antigoni
  • Brasselet Sophie
  • Royer C.
  • Cognet Laurent
  • Boccara C.
  • Emiliani Valentina
  , 2008. H. Rigneault, A. Alexendrou, S. Brasselet, L. Cognet, C. Royer, D. Marguet et C. Boccara,
• Ultrafast light-induced flavin reduction in the photo-enzyme DNA photolyase
  
  • Vos Marten H.
  , 2008.
• Ultrafast heme-residue bond formation in six-coordinate heme proteins: implications for functional ligand exchange.
  
  • Vos Marten H.
  • Battistoni Andrea
  • Lechauve Christophe
  • Marden Michael C.
  • Kiger Laurent
  • Desbois Alain
  • Pilet Eric
  • de Rosny Eve
  • Liebl Ursula
  Biochemistry, American Chemical Society, 2008, 47 (21), pp.5718-23. A survey is presented of picosecond kinetics of heme-residue bond formation after photolysis of histidine, methionine, or cysteine, in a broad range of ferrous six-coordinate heme proteins. These include human neuroglobin, a bacterial heme-binding superoxide dismutase (SOD), plant cytochrome b 559, the insect nuclear receptor E75, horse heart cytochrome c and the heme domain of the bacterial sensor protein Dos. We demonstrate that the fastest and dominant phase of binding of amino acid residues to domed heme invariably takes place with a time constant in the narrow range of 5-7 ps. Remarkably, this is also the case in the heme-binding SOD, where the heme is solvent-exposed. We reason that this fast phase corresponds to barrierless formation of the heme-residue bond from a configuration close to the bound state. Only in proteins where functional ligand exchange occurs, additional slower rebinding takes place on the time scale of tens of picoseconds after residue dissociation. We propose that the presence of these slower phases reflects flexibility in the heme environment that allows external ligands (O2, CO, NO, . . .) to functionally replace the internal residue after thermal dissociation of the heme-residue bond. (10.1021/bi800288z)
  DOI : 10.1021/bi800288z
• Physiological consequences of thymidylate synthase ThyX utilization.
  
  • Escartin Frédéric
  , 2008. The conversion of deoxyuridine 5'-monophosphate (dUMP) to deoxythymidine 5'-monophosphate (dTMP) by thymidylate synthases is one key step in the biosynthesis of pyrimidine deoxyribonucleotides. Two non homologous families of thymidylate synthases exist in the prokaryotic world (bacteria and archaea): ThyA and ThyX. The almost exclusive phylogenetic distribution of both enzyme families is complex and does not follow organismal phylogenetic relations. Proteins of both families do not share sequence or structural similarities, and the catalytic mechanisms and efficiencies are different. The work presented in this thesis demonstrates that ThyX activity is essential for the survival of the bacterium Rhodobacter capsulatus in absence of exogenous thymidine. Based upon the results of genetic complementation assays and a mathematical model of the folate metabolism, we showed that a very low dihydrofolate reductase activity is enough to allow survival of thyX containing organisms. Moreover, using a genetic approach and statistical analysis of more than 400 prokaryotic genomes, I was able to show that organisms using thymidylate synthase ThyX have slow DNA replication and growth rates, and mostly possess a small genome. Based upon these findings, I propose a model in which the weak activity of thymidylate synthases ThyX is limiting DNA replication and consequently genome expansion. Finally, I studied the pyrimidine metabolism in the human pathogenic bacterium Helicobacter pylori. In particular, I demonstrated that this bacterium is sensible to the anticancer drug ! 5-fluorouracil (5-FU) despite the absence of a uracil salvage pathway. I showed that the H. pylori orotate phosphoribosyltransferase is able to complement the uracil auxotrophy of an Escherichia coli strain, indicating that this enzyme could be responsible for the 5-FU sensitivity of H. pylori. The studies presented in this thesis allow a better understanding of the physiological consequences of the use of thymidylate synthase ThyX and provide an explanation for the apparent sporadic distribution of both thymidylate synthase families in the prokaryotic world.
• Luminescent oxide nanoparticles with enhanced optical properties
  
  • Casanova Didier
  • Boilot Jean-Pierre
  • Gacoin Thierry
  • Nguyên Thanh-Liêm
  • Moreau Mélanie
  • Türkcan Silvan
  • Mialon Geneviève
  • Alexandrou Antigoni
  , 2008, 6988, pp.69881B. Yttrium vanadate particles doped with europium are studied for their applications as biomolecule labels. Two parts of our work will be presented. The first concerns the thermal treatment of particles incorporated in a silica matrix. After annealing at 1000°C and redispersion in water by dissolution of the silica matrix, the structural and optical properties are greatly improved: without any modification of size, the obtained nanoparticles appear as perfect single crystals of 33 nm and have the same emission properties as the bulk material, with a quantum yield and emission lifetime increasing up to 40% and 0.8 ms. The second aspect concerns the detection of single nanoparticles and their emission properties as compared to an ensemble of nanoparticles. (10.1117/12.779003)
  DOI : 10.1117/12.779003
• Contrast mechanisms and signal epidetection in THG microscopy of scattering tissues
  
  • Olivier Nicolas
  • Débarre Delphine
  • Beaurepaire Emmanuel
  , 2008, 6991. We use a vector field model to analyze the third-harmonic generation (THG) emission patterns for isolated objects illuminated by a Gaussian beam. Simulations and experiments indicate that THG from biological (dielectric) structures is essentially forward-directed, as opposed to e.g. THG from gold particles. We then address the issue of epidetecting forward-emitted light backscattered in a turbid medium. We use Monte Carlo simulations and measurements to analyze the effect of tissue properties (absorption, scattering), and of the geometry of the collecting optics. This analysis provides guidelines for optimizing epidetection in coherent nonlinear microscopy. An erratum is attached. © (2008) COPYRIGHT SPIE--The International Society for Optical Engineering. (10.1117/12.783376)
  DOI : 10.1117/12.783376
• Second harmonic microscopy to quantify fibrotic pathologies and arterial remodeling
  
  • Strupler Mathias
  • Hernest Monica
  • Martin Jean-Louis
  • Tharaux Pierre-Louis
  • Beaurepaire Emmanuel
  • Schanne-Klein Marie-Claire
  , 2008.
• Third-harmonic generation (THG) microscopy of tissues and embryos: mechanisms of contrast and applications
  
  • Beaurepaire Emmanuel
  • Débarre Delphine
  • Olivier Nicolas
  • Supatto Willy
  • Schanne-Klein Marie-Claire
  • Farge Emmanuel
  , 2008.
• Interaction toxine-cellule étudiée par imagerie individuelle de nanoparticules d'oxyde fluorescentes.
  
  • Casanova Didier
  , 2008. Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire d'Optique et Biosciences (LOB, Ecole polytechnique) sous la direction d'Antigoni Alexandrou. Une des thématiques de ce laboratoire est le developpement et l'application dans le domaine de la biologie d'un nouveau type de sondes fluorescentes de taille nanométrique. Ces nanoparticules (NPs) constituées d'une matrice de vanadate d'Yttrium dopée par des ions Europium (Y1−xEuxVO4) sont détectables individuellement en microscopie optique par le biais de la fluorescence qu'elles émettent. Ces NPs peuvent de plus être fonctionnalisées afin d'être couplées à une biomolécule dont on cherche à déterminer l'activité, la localisation ou même la dynamique. Elles s'inscrivent dans une longue lignée de sondes fluorescentes dont nous allons brièvement décrire les différentes évolutions. Ce travail a profité de la collaboration avec l'équipe de Thierry Gacoin et Jean-Pierre Boilot du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC, Ecole polytechnique) pour la synthèse et la fonctionnalisation des NPs, avec l'équipe de Michel Robert Popoff de l'unité Bactéries Anaérobies et Toxines (BAT, Institut Pasteur) pour le suivi de la toxine ε et avec celle de Pierre-Louis Tharaux du Centre de Recherche Cardiovasculaire Inserm-Lariboisière pour l'étude de la signalisation vasculaire de l'endothéline-1.
• Are cyanobacteria involved in Ciguatera Fish Poisoning-like outbreaks in New-Caledonia?
  
  • Laurent Dominique
  • Kerbrat A.S.
  • Daruis H.T.
  • Girard Emmanuelle
  • Golubic S.
  • Benoit Evelyne
  • Sauviat Martin-Pierre
  • Chinain M.
  • Molgó Jordi
  • Pauillac S.
  Harmful Algae, Elsevier, 2008, 7 (6), pp.827-838. From 2001 to 2005, numerous cases of seafood poisonings were reported in a tribe from Lifou (Loyalty Islands Province, New Caledonia) of which 35 were thoroughly examined. Observations outlined by the epidemiological and clinical data (including severity and rapid onset of certain symptoms following consumption of either giant clams (Tridacna spp.) or grazing and molluscivorous fish together with the apparent inefficacy of traditional remedies, were not in favour of a classical Ciguatera Fish Poisoning (CFP) outbreak. From 2005 onwards, an environmental offshore survey of the affected area was conducted. Screening of the damaged coral area revealed the presence of large populations of cyanobacteria identified as Hydrocoleum Kützing, but the absence of Gambierdiscus spp., the well-known dinoflagellate causative agent of CFP. In vivo and in vitro toxicological studies of extracts obtained from cyanobacteria and giant clams, strongly suggested the co-occurrence of ciguatoxin-like, anatoxin-like and paralytic shellfish toxins in these samples. These new findings shed new light on the complexity of the CFP symptomatology and treatment and also on the diversity and origin of the CFP toxins. Furthermore they provide new evidence of the overall variability of seafood poisonings following the ingestion of different sea products living in a marine environment where significant harmful populations of microalgae and cyanobacteria coexist. This is the first report on the involvement of cyanobacteria in CFP-like outbreaks following the consumption of giant clams or fish specimens. Consequently, it is recommended that CFP risk assessment programs now include monitoring of cyanobacteria besides the obvious screening of CFP-promoting dinoflagellates (10.1016/j.hal.2008.04.005)
  DOI : 10.1016/j.hal.2008.04.005