Molecularly imprinted polymers as synthetic receptors for glucuronates, and their use for biochemical sensing

par Nataliya Marchyk

Thèse de doctorat en Biotechnologie

Sous la direction de Karsten Haupt et de José Kovensky.

Soutenue en 2012

à Compiègne .

  • Titre traduit

    Polymères à empreintes moléculaires comme récepteurs synthétiques pour des glucuronates, et leur utilisation pour la biodétection


  • Résumé

    La reconnaissance moléculaire est un processus fondamental dans les systèmes biologiques. La création des récepteurs synthétiques imitant les processus biologiques est d'une grande importance dans l'application pratique en raison de leur plus grande stabilité aux milieu très rigoureux, long-durée de conservation et la flexibilité d'application par rapport à leurs homologues naturels. Polymères à empreintes moléculaires (MIPs) bien remplissent ces conditions. Les MIPs sont faits sur mesure récepteurs synthétiques qui sont capables de reconnaître spécifiquement une molécule cible. Leur synthèse est basée sur la présence d'une molécule cible qui dirige l'auto-assemblage autour des monomères fonctionnels. Les monomères copolymérisent dans un excès d'agent de réticulation. Par la suite, l’extraction d’une molécule cible libère des sites à trois dimensions dans la matière qui sont complémentaires dans la taille, la forme et la position des groupements fonctionnels de la cible. En raison de la complexité de la composition et des facteurs d’influence divers, la conception rationnelle devrait être utilisée afin d'améliorer la performance des systèmes à empreintes moléculaires. Les nanoparticules du type noyau/coquille proposent une possibilité unique d'incorporer des agents avec des propriétés optiques ou magnétiques dans le noyau, offrant des possibilités plus larges pour l'application des MIPs, par exemple dans l’imagerie biologique et de surveillance. Le travail de la thèse est axé sur le développement de MIPs pour la reconnaissance spécifique de glucuronates en milieu aqueux avec des perspectives d'application dans les systèmes biologiques. La conception rationnelle compris la modélisation moléculaire, l'analyse spectroscopique et la conception des expériences. La modélisation moléculaire a simulé des interactions intermoléculaires et a permis de découvrir les combinaisons d’analyse-monomère le plus prometteurs et qui pourraient être vérifiées in situ par spectroscopie. La conception des expériences avec l’optimisation multi-objectifs a permis de trouver la composition de MIP avec la meilleure performance pour le glucuronate ainsi que de comprendre les effets des facteurs d’influence, les concentrations des composés en particulier, sur la performance de MIPs. Transfert d'énergie par résonance de type Förster a été utilisée pour évaluer la reconnaissance de l'analyse cible par MIP. Dans la perspective de l'application dans les systèmes biologiques, l’approche nouvel de la synthèse des nanoparticules du type noyau/coquille a été proposé. Le principe est basé sur une synthèse en un seul récipient par polymérisation en émulsion classique des graines à iniferter qui servent de noyaux pour les particules finales. Les particules de conversion ascendante (UCPs) possèdent des propriétés optiques uniques pour absorber la lumière à longueur d'onde plus élevée et l'émettre à longueur d'onde plus courte. Cela les rend très prometteuse dans l’imagerie biologique, car l'autofluorescence des échantillons biologiques peuvent être considérablement diminuée. La stratégie a été proposée de synthétiser des nanoparticules composites du type noyau/coquille où des UCPs ont été utilisées comme source de la lumière locale seconde pour lancer la polymérisation de la surface des particules.


  • Résumé

    Molecular recognition is a fundamental process in biological systems. The creation of synthetic receptors mimicking the biological processes is of high importance in practical application due to their higher stability to harsh environments, long on-shelf life and application flexibility comparing to natural counterparts. Molecularly imprinted polymers (MIP) readily meet these conditions. MIPs are tailor-made synthetic receptors that are able to specifically recognize a certain target molecule. Their synthesis is based on the presence of a molecular template that directs the self-assembly of functional monomers around. In an excess of cross-linking agent the monomers copolymerize, and subsequent removal of the template molecule generates three-dimensional binding sites in the material that are complementary to the template in size, shape and position of the functional groups. Due to complexity of composition and various influencing factors, the rational design should be employed in order to improve the performance of MIP systems. Core-shell nanoparticles provide a unique possibility to incorporate agents with optical or magnetic properties into the core, providing broader possibilities for MIPs application, such as in bioimaging and monitoring. The work of the thesis is focused on development of MIPs for the specific recognition of glucuronates in aqueous environment with outlook for applicability in biological systems. The rational design framework included molecular modelling, spectroscopic analysis and the design of experiments. Molecular modelling simulated intermolecular interactions and allowed to discover the most promising analyte-monomer combinations which could be verified in situ via spectroscopic (NMR) method. The design of experiments with multi-objective optimization allowed finding the composition of MIP with the best performance to glucuronate as well as to understand the effects of influencing factors, compounds concentrations in particular, onto the MIP performance. Förster resonance energy transfer (FRET) was applied in order to evaluate the recognition event of the target analyte in the MIP system. Bearing in mind the application in biological systems, a new approach for the synthesis of core-shell nanoparticles was proposed. The principle is based on one-pot synthesis by conventional emulsion polymerization of iniferter seeds which serve as cores for final particles. The up-converting particles (UCPs) possess unique optical properties to absorb the light at higher wavelength and emit it at lower wavelength. That makes them very promising in bioimaging, since the autofluorescence of biological samples can be decreased significantly. A novel strategy was proposed to synthesize composite core-shell nanoparticles where UCPs were employed as the second local light source to initiate the polymerization from the particles’ surface.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (202 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 235 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 MAR 2053
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