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Thèse Année : 2018

Water Dynamics in Biological Systems investigated using Neutron Scattering Techniques

Dynamique de l'eau dans les systèmes biologiques étudiée à utilisant de techniques de diffusion de neutrons

Résumé

Living systems can not survive in absence of the water environments which play a fundamental role in living functions. Thus in the scientific community many studies were and are addressed to characterize water and its dynamics prop erties in biological systems. However, a clear description of water in such systems has been not reached yet. In fact, the investigations performed with different techniques - those based on Nuclear Magnetic Resonance or those based on Neutron Scattering - look at different diffusive motions and interactions water-biomolecules, leading controversial results and hence generating many debates between scientists. In this thesis we support the idea that two water populations are present in systems such as "phantoms", cells and tissues, suggesting that this is a general property for biological systems. Such populations are defined as the "fast water" and the "slow water" components which are characterized by dynamics properties similar to bulk water and by slower dynamics, respectively. The samples are investigated mainly using Quasi Elastic Neutron Scattering (QENS) technique which has access to atomic scale and looks at tens of picosecond/nanosecond diffusive pro cesses. A theoretical mo del previously tested is used to analyze the QENS data. The strategy to analyze the data is improved in the project by using data sets from two energy resolutions - idea existing, but effectively implemented in this work - and introducing the confidence limit investigation to check the true minima. The investigated samples are (1) sucrose in aqueous solution at 10, 20 and 30% of mass fraction percentage at 300 K ; (2) E. coli samples at 300, 310, and 320 K , yeast and Glioma-9L at 300 K ; (3) right and left cerebral hemispheres and right and left cerebellum from bovine brain tissues at 300 K . Successfully, the results confirm the existence of the two predicted fast and slow water populations in biological systems. Moreover, results from phantom systems and E. coli fully validate, as expected, the theoretical approach used. Interestingly, results from Glioma-9L (tumoral cells) show faster diffusion properties for slow water component with respect to the other cells here investigated. On the other hand, results from bovine brain tissues highlight that cerebral hemispheres seem less dynamic with respect to the cerebellum. Moreover, left-right asymmetry is found in slow water component in cerebral hemispheres, while asymmetry in cerebellum is not, if any, evident.
Les systèmes vivants ne peuvent pas survivre en l'absence des milieux aquatiques qui jouent un rôle fondamental dans les fonctions vivantes. Ainsi, dans la communauté scientifique, de nombreuses études ont été et sont menées pour caractériser l’eau et ses propriétés dynamiques dans les systèmes biologiques. Cependant, une description claire de l'eau dans de tels systèmes n'a pas encore été atteinte. En fait, les investigations effectuées avec différentes techniques - celles basées sur la résonance magnétique nucléaire ou celles basées sur la diffusion des neutrons - examinent différents mouvements de diffusion et interactions biomolécules eau, menant à des résultats controversés et générant ainsi de nombreux débats entre scientifiques. Dans cette thèse, nous soutenons l’idée que deux populations d’eau sont présentes dans des systèmes tels que les "fantômes", les cellules et les tissus, ce qui suggère qu’il s’agit d’une propriété générale des systèmes biologiques. Ces populations sont définies comme les composants "eau rapide" et "eau lente", caractérisés par des propriétés dynamiques similaires à celles de l'eau libre et par une dynamique plus lente, respectivement. Les échantillons sont étudiés principalement à l'aide de la technique de diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS), qui a accès à l'échelle atomique et examine de processus de diffusion à l'échelle de la picoseconde / nanoseconde. Un modèle théorique préalablement testé est utilisé pour analyser les données QENS. La stratégie d'analyse des données est améliorée en utilisant des ensembles de données issus de deux résolutions énergétiques différents. Enfin, nous avons etudiée les limites de confiance pour vérifier les minima réels. Les échantillons étudiés sont respectivement du saccharose en solution aqueuse à 10, 20 et 30% en mass à 300 K; des échantillons d'E. Coli à 300, 310 et 320 K, de levure, de Glioma-9L à 300 K, de’ hémisphères cérébraux droit et gauche et de cervelet droit et gauche de tissus cérébraux bovins à 300K. Avec succès, les résultats confirment l'existence des deux populations d'eau rapides et lentes prévues dans les systèmes biologiques. De plus, les résultats des systèmes fantômes et de E. coli valident pleinement, comme prévu, l'approche théorique utilisée. Fait intéressant, les résultats de Glioma-9L (cellules tumorales) montrent des propriétés de diffusion plus rapides pour le composant d'eau lent par rapport aux autres cellules étudiées ici. Par ailleurs, les résultats obtenus avec des tissus cérébraux de bovins montrent que les hémisphères cérébraux semblent moins dynamiques par rapport au cervelet. De plus, l'asymétrie gauche-droite se retrouve dans la composante lente de l'eau dans les hémisphères cérébraux, tandis que l'asymétrie dans le cervelet n'est pas évidente.
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Dates et versions

tel-01933949 , version 1 (04-03-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01933949 , version 1

Citer

Irina Piazza. Water Dynamics in Biological Systems investigated using Neutron Scattering Techniques. Biophysics. Institut Laue-Langevin, Grenoble, France; Università degli Studi di Palermo, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01933949⟩
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