Modélisation de l'interaction entre une impulsion laser ultrabrève et une nanostructure plasmonique en milieu aqueux

Ces dernières années ont été marquées par une rapide évolution du domaine des nanotechnologies biomédicales. Plus particulièrement, l’utilisation de laser à impulsions ultrabrèves pour affecter localement et avec précision certaines structures cellulaires et sub-cellulaires présente un intérêt grandissant. Ce type d’impulsion, grâce à leur temps d’impulsion très court (100fs), permet en effet l’ablation efficace de matériau organique transparent tout en réduisant les dommages collatéraux provoqués aux structures environnantes. Cette technologie est néanmoins limitée par certaines contraintes physiques et technologiques, telle que la limite de diffraction, qui restreint ses performances et son application. L’utilisation de structures métalliques aux dimensions nanométriques permet de pallier à ce problème. Ces nanostructures ont en effet l’étonnante capacité d’absorber et de concentrer l’énergie du champ laser dans des volumes nanométriques, bien inférieurs à la limite de diffraction. Cette propriété est causée par l’excitation d’une oscillation collective des électrons de conduction du métal induite par le champ électromagnétique incident, appelée plasmon, qui absorbe et amplifie localement le champ électrique. L’excitation de ce plasmon est de nature résonante à une longueur d’onde incidente qui dépend fortement de la géométrie, des dimensions, du matériau et de l’environnement de la nanostructure. Le degré de localisation de l’énergie lumineuse atteint à l’aide de ces nanostructures plasmoniques est sans équivalent dans le monde macroscopique. Leur utilisation de concert avec des impulsions ultrabrèves permet par conséquent de concentrer l’énergie lumineuse et de réaliser l’ablation de structures avec une résolution bien supérieure à la limite de diffraction, et ce sans nécessiter un système optique de visualisation et de focalisation particulier. Au niveau cellulaire, cette technique permet de réaliser l’ablation ou la modification ciblée de structures cellulaires et sub-cellulaires avec une précision et une efficacité inégalée. Bien que plusieurs études aient démontré le potentiel de cette technologie, la compréhension des mécanismes physiques fondamentaux et phénomènes induits par l’irradiation demeure limitée. En particulier, aucun modèle décrivant l’ensemble des sources potentielles de dommages aux structures cellulaires (hausse de température, génération de plasma, émission d’ondes de pression, formation de bulles de cavitation) possiblement induites par l’irradiation de nanostructure plasmonique par des impulsions ultrabrèves n’est actuellement disponible dans la littérature. Cette thèse présente une modélisation complète de l’interaction d’une impulsion laser ultrabrève et d’une nanostructure plasmonique en milieu aqueux. Les propriétés optiques, mécaniques, thermiques de l’eau sont en effet suffisamment près de celles du milieu biologique----------abstract The past few years have seen the unfolding and rapid evolution of biomedical nanotechnologies. In particular, ultrafast laser pulses have been used to locally destroy or modify cellular and sub-cellular structures with exceptional precision. Those very short pulses (100 fs) indeed allow the efficient ablation of organic transparent material, while limiting the collateral damages to the surrounding structures. In spite of its great efficiency and versatility, the technique is still limited by some physical constraints, such as the diffraction limit, which limit its performance and applicability. The introduction of nanoscale metallic structures can overcome this problem. Those nanostructures presents an astonishing capability to absorb an locally enhance incident laser energy into nanoscale volumes much smaller than the diffraction limit. This property arises from the laser field induced excitation of a collective oscillation of the metal’s conduction electrons called plasmon. This plasmon absorbs and enhance the laser field in the vicinity of the structures. It has a resonant nature at a specific wavelength that depends strongly on the geometry, material, size and environment of the nanostructure. The degree of laser energy localization that can be possibly reached with those structures has no counterparts in the macroscopic world. Using plasmonic nanostructures with ultrafast laser pulses thus bring an unique capability to ablate or alter targeted cellular and sub-cellular structures with an astonishing precision, well beyond the diffraction limit, without even the need for a complex visualization and focussing apparatus. While the great potential of this technology is now widely accepted, there is still a limited understanding of the basic mechanisms and processes triggered by the laser irradiation and leading to the damaging of the surrounding structures. In particular, there exists for the moment no complete modelling of the process that includes all potential sources of cellular damage, including temperature rise, plasma generation, pressure wave emission and vapor bubble formation. This thesis presents such a modelling, with the cell environment emulated by a much simpler aqueous medium. Water is used as its optical, mechanical and thermal characteristic are similar enough to the cell environment to enable the transposition of the results and tendencies observed in water to this medium. Modelling consists in a continuous medium based approach that uses coupled partial differential equations to simulate the nanostructure-water system’s response to an ultrafast laser pulse. The the time-dependant field distribution in the system is simulated using classical electromagnetic theory, while the temperature in the nanostructure is calculated using a two-temperature model. Generation and heating of a plasma in the nanostructure’s vicinit

Casting inorganic structures with DNA molds

We report a general strategy for designing and synthesizing inorganic nanostructures with arbitrarily prescribed three-dimensional shapes. Computationally designed DNA strands self-assemble into a stiff “nanomold” that contains a user-specified three-dimensional cavity and encloses a nucleating gold “seed.” Under mild conditions, this seed grows into a larger cast structure that fills and thus replicates the cavity. We synthesized a variety of nanoparticles with 3-nanometer resolution: three distinct silver cuboids with three independently tunable dimensions, silver and gold nanoparticles with diverse cross sections, and composite structures with homo- and heterogeneous components. The designer equilateral silver triangular and spherical nanoparticles exhibited plasmonic properties consistent with electromagnetism-based simulations. Our framework is generalizable to more complex geometries and diverse inorganic materials, offering a range of applications in biosensing, photonics, and nanoelectronics.United States. Air Force Office of Scientific Research. Defense University Research Instrumentation Program (Grant N000141310664)United States. Air Force Office of Scientific Research. Defense University Research Instrumentation Program (Grant N000141210621)National Science Foundation (U.S.). Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future Program (Grant CMMI1334109

Structure-based model for light-harvesting properties of nucleic acid nanostructures

Programmed self-assembly of DNA enables the rational design of megadalton-scale macromolecular assemblies with sub-nanometer scale precision. These assemblies can be programmed to serve as structural scaffolds for secondary chromophore molecules with light-harvesting properties. Like in natural systems, the local and global spatial organization of these synthetic scaffolded chromophore systems plays a crucial role in their emergent excitonic and optical properties. Previously, we introduced a computational model to predict the large-scale 3D solution structure and flexibility of nucleic acid nanostructures programmed using the principle of scaffolded DNA origami. Here, we use Förster resonance energy transfer theory to simulate the temporal dynamics of dye excitation and energy transfer accounting both for overall DNA nanostructure architecture as well as atomic-level DNA and dye chemical structure and composition. Results are used to calculate emergent optical properties including effective absorption cross-section, absorption and emission spectra and total power transferred to a biomimetic reaction center in an existing seven-helix double stranded DNA-based antenna. This structure-based computational framework enables the efficient in silico evaluation of nucleic acid nanostructures for diverse light-harvesting and photonic applications.United States. Office of Naval Research (ONR N000141210621)United States. Army Research Office (ARO MURI W911NF1210420

Rational identification of a Cdc42 inhibitor presents a new regimen for long- term hematopoietic stem cell mobilization

Mobilization of hematopoietic stem cells (HSCs) from bone marrow (BM) to peripheral blood (PB) by cytokine granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) or the chemical antagonist of CXCR4, AMD3100, is important in the treatment of blood diseases. Due to clinical conditions of each application, there is a need for continued improvement of HSC mobilization regimens. Previous studies have shown that genetic ablation of the Rho GTPase Cdc42 in HSCs results in their mobilization without affecting survival. Here we rationally identified a Cdc42 activity-specific inhibitor (CASIN) that can bind to Cdc42 with submicromolar affinity and competitively interfere with guanine nucleotide exchange activity. CASIN inhibits intracellular Cdc42 activity specifically and transiently to induce murine hematopoietic stem/progenitor cell egress from the BM by suppressing actin polymerization, adhesion, and directional migration of stem/progenitor cells, conferring Cdc42 knockout phenotypes. We further show that, although, CASIN administration to mice mobilizes similar number of phenotypic HSCs as AMD3100, it produces HSCs with better long-term reconstitution potential than that by AMD3100. Our work validates a specific small molecule inhibitor for Cdc42, and demonstrates that signaling molecules downstream of cytokines and chemokines, such as Cdc42, constitute a useful target for long-term stem cell mobilization

Understanding 2D Transport in Microfluidic Systems

RÉSUMÉ: Les technologies microfluidiques, manipulant des microlitres de fluide dans des systèmes millimétriques, peuvent faciliter les expériences en chimie et dans les sciences de la vie. Ces systèmes permettent une grande parallélisation, une réduction du temps des expériences, une consommation de réactifs minime et une réduction des coûts. À l’échelle microfluidique, les phénomènes de transport ont un comportement qualitatif très différent du comportement macroscopique, ce qui nécessite des modèles théoriques spécialisés. Les systèmes microfluidiques consistant en des réseaux de microcanaux sont très bien compris. Des modèles complets pour l’écoulement et la diffusion dans les microcanaux sont disponibles, et une fois que le comportement d’un canal individuel est analysé, ces éléments peuvent être arrangés en réseaux complexes. Ces réseaux sont ensuite étudiés en utilisant la théorie des circuits linéaires, à la manière des circuits électriques. Ces outils de modélisations, combinés avec les avancées dans les technologies de fabrication, ont permis le développement de systèmes incroyablement sophistiqués, poussant le paradigme à sa limite. Cependant, depuis la deuxième moitié des années 2000, de nouvelles technologies microfluidiques apparaissent, suivant un nouveau paradigme de microfluidique 2D. Dans ces systèmes, l’écoulement évolue dans un espace 2D, la diffusion et la convection ne sont plus découplées, et la logique séquentielle des circuits est remplacée par une logique de champs où chaque élément interagit avec tous les autres en même temps. Ces technologies requièrent de nouveaux outils théoriques permettant de guider leur design et leur opération. Cette thèse présente un cadre théorique complet pour analyser l’écoulement et la diffusion dans ces systèmes microfluidiques 2D. Les modèles présentés sont inspirés de résultats classiques d’autres domaines de la mécanique des fluide, qui sont ici assemblés dans une méthode unifiée accessible aux scientifiques et ingénieurs travaillant en microfluidique. Ces modèles ont d’abord été développés pour analyser les sondes microfluidiques, mais ont ensuite été généralisés à un éventail de technologies microfluidiques 2D. Nous présentons d’abord une revue de résultats classiques de la théorie du transport, avec un accent sur les outils reliés aux potentiels complexes et aux transformations conformes. Nous montrons ensuite comment ces résultats peuvent être appliqués pour obtenir des profils de vitesse et de concentration complets dans les sondes microfluidiques. Les mêmes résultats sont ensuite étendus à la plus grande famille des dispositifs microfluidiques 2D. Nous terminons avec deux exemples de technologies dont l’invention a été guidée par les outils présentés, puis une discussion des avenues futures. ABSTRACT: Microfluidic technologies, technologies manipulating microliters of fluid on millimiter chips, hold the promise of automating routine experiments in chemistry and life sciences by dras-tically increasing throughput and reducing costs. At this scale, fluid mechanical phenomena behave in a qualitatively different manner than what our macroscale intuition predicts, which calls for specialized models to help in understanding, analyzing, and designing efficient new technologies. Microfluidic systems conceived as networks of microchannels have been thoroughly studied. Complete models for flow and diffusion in microchannels are readily available, and once the behavior of a single strip of channel is understood, elements can be arranged in complex networks and analyzed using the theory of linear circuits, analogous to how electric circuits are modeled. These modeling tools, combined with advances in soft lithography, have enabled engineers to develop state-of-the-art technologies that push the network paradigm to its limit. However, since the second half of the 2000s, a growing number of new microfluidic systems have emerged that break away from this “networks of microchannels” paradigm. More and more systems are being developed following a new paradigm of flow-field, or 2D microfluidics. In these new systems, flow is free to evolve in 2D space, diffusion and convection are no longer fully decoupled, and the sequential logic of linear circuits is replaced by a field logic where every element interacts with every other at once. These new field-based technologies demand the production of new theoretical tools that can be used to guide their design and operation. In this dissertation, we present a complete theoretical framework for analyzing flow and diffusion in such 2D microfluidic systems. The models we present are inspired by classic results in other fields of fluid mechanics, and are collected into a unified toolbox accessible to scientists and engineers working in microfluidics. The models were first developed to analyze microfluidic probes, but were then extended to apply to a wide range of microfluidic technologies. We begin with a review of classical results in transport theory and fluid mechanics, in partic-ular tools related to complex potential and conformal transforms. We then show how these results can be applied to obtain complete flow and concentration maps in microfluidic probes and adjacent systems. We then generalize the results to obtain a framework applicable to the entire range of field-based microfluidics. We finish with two examples of new technologies that were invented using this theoretical framework, as well as discussion on where to take the work next