Study on the interfacial properties of surfactants and their interactions with DNA

par Yunfei He

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dominique Langevin et de Honglai Liu.

  • Titre traduit

    Étude sur les propriétés interfaciales de tensioactifs et de leurs interactions avec l'ADN


  • Résumé

    Ayant une partie hydrophile et une partie hydrophobe, les tensioactifs peuvent s'adsorber sur des interfaces et d'abaisser la tension interfaciale (γ), ce qui améliore les propriétés interfaciales. Tensioactifs chargés sont également utilisés dans des applications biologiques, par exemple dans la livraison de gènes. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés d'adsorption des tensioactifs, à la fois aux interfaces air/eau et sur l'ADN pour former des complexes.La première partie de la thèse se concentre sur les études d'interface de tensioactifs. Pour comprendre comment ils fonctionnent dans ces applications, il est important de connaître les échelles de temps de l'adsorption et la désorption de surfactant. Ainsi, il est nécessaire d'étudier l'adsorption et la cinétique de désorption, qui sont déjà largement étudié. Cependant, les études traditionnelles ont tendance à faire de nombreuses hypothèses, par exemple, l'extension de l'applicabilité des relations d'équilibre à des cas de non-équilibre. Dans cette mémoire, l'adsorption des deux systèmes tensioactifs différents a été étudiée, C12E6 de tensioactif non ionique et d'agent tensio-actif ionique CTAB avec suffisamment de sel. Une mesure de la compression de la bulle unique combiné avec une tension superficielle d'équilibre connue (γeq) de valeur permet de déterminer γ(Γ), ce qui est plus précis que les résultats des méthodes traditionnelles. Les concentrations de surface en fonction du temps sont mesurés, ce qui montre que l'adsorption est contrôlée par la diffusion à temps courts.Après avoir montré que l'adsorption est contrôlée par diffusion, nous rapportons la désorption des tensioactifs à partir de l'interface air/eau pour différents systèmes. Les processus de désorption sont confirmées pas être purement limitée par diffusion, indiquant la présence d'une barrière d'énergie. La barrière d'énergie est influencée par la longueur de la chaîne alkyle, et non le type de contre-ion.Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous concentrons sur les systèmes d'ADN/tensioactif. Bien que l'interaction entre les tensioactifs cationiques et anioniques polyélectrolyte a été largement étudiée, il reste nécessaire de mieux comprendre le système complexe, en particulier pour rationaliser le choix des tensioactifs pour atteindre une capacité de liaison de l'ADN contrôlable et une faible toxicité pour l'organisme. Dans cette thèse, nous avons lancé l'enquête systématique sur les interactions des deux tensioactifs cationiques avec l'ADN.Le premier tensioactif utilisé est un gemini tensioactifs cationiques 12-2-12∙2Br. Avant de l'utiliser avec l'ADN d'une caractérisation approfondie a été effectuée. L'équilibrage du 12-2-12∙2Br sur une interface air/eau en l'absence d'électrolyte est très lent. Ajout de NaBr affecte peu la cinétique d'adsorption à des temps courts, pendant lesquels l'adsorption de diffusion. Cependant, l'adsorption s'équilibre beaucoup plus rapide. La formation de micelles de tensioactif cationique gemini 12-3-12∙2Br a été étudiée. La concentration micellaire critique (CMC) augmente légèrement avec la température et diminue avec la force ionique. 12-3-12∙2Br interagit fortement avec l'ADN, en raison de l'attraction électrostatique entre les deux et les interactions hydrophobes entre les chaînes alkyles. Sel écrans l'attraction électrostatique, tout en augmentant la longueur d'écartement des Gémeaux tensioactif affaiblit son interaction avec l'ADN.Un autre agent a également été étudié pour sa capacité de liaison à l'ADN et nous présentons une étude systématique sur les interactions entre tensioactif cationique liquide ionique [C12mim]Br et de l'ADN par des techniques expérimentales et de dynamique moléculaire (MD) de simulation. En ajoutant [C12mim]Br, les chaînes d'ADN sont soumis à compactage, des changements conformationnels, avec le changement de charge nette portée par le complexe ADN/tensioactif. simulation de MD confirme les résultats expérimentaux.


  • Résumé

    Bearing a hydrophilic part and a hydrophobic part, surfactants can adsorb onto interfaces and lower the interfacial tension (γ), thereby enhancing the interfacial properties and leading to the applications in cleaning, surface functionalization, foaming and emulsification. Charged surfactants are also used in biological applications, in particular to extract and purify DNA, or for gene delivery. In this thesis we have studied the adsorption properties of surfactants, both to air/water interfaces and onto DNA to form complexes. The first part of the thesis concentrates on interfacial studies of surfactants. To understand how they work in these applications it is important to know the time-scales of the surfactant adsorption and desorption. Thus it is necessary to investigate the adsorption and desorption kinetics, which are already widely studied. However, traditional studies tend to make many assumptions, for example, extending the applicability of equilibrium relations to non-equilibrium cases. In this dissertation, the adsorption of two different surfactant systems has been investigated, non-ionic surfactant C12E6 and ionic surfactant CTAB with sufficient salt. A single bubble compression measurement combined with a known equilibrium surface tension (γeq) value allows the determination of γ(Γ), which is more accurate than results from traditional methods. The time-dependent surface concentrations are measured, showing that the adsorption is diffusion controlled at short times.Having shown that adsorption is diffusion controlled, we report desorption of surfactants from the air/water interface for different systems. The desorption processes are confirmed not to be purely diffusion-limited, showing the presence of an energy barrier. The energy barrier is influenced by the alkyl chain length, but not the counterion type.In the second part of the thesis we concentrate on DNA/surfactant systems. Although the interaction between cationic surfactant and anionic polyelectrolyte has been extensively studied, there still remains need to further understand the complex system, especially to rationalize the choice of surfactants to reach controllable DNA binding ability and low toxicity to the organism. In this dissertation, we introduced the systematic investigation on the interactions of two cationic surfactants with DNA.The first surfactant used is a cationic gemini surfactant 12-2-12∙2Br. Before using it with DNA a thorough characterization has been carried out. The equilibration of 12-2-12∙2Br onto an air/water interfaces in the absence of electrolyte is very slow. Addition of NaBr hardly affects the adsorption kinetics at short times, during which the adsorption is diffusive. However, the adsorption equilibrates much faster. The micellization of cationic gemini surfactant 12-3-12·2Br has been investigated. The critical micelle concentration (CMC) increases slightly with temperature and decreases with ionic strength. 12-3-12·2Br interacts strongly with DNA, due to the electrostatic attraction between the two and the hydrophobic interactions between alkyl chains. Salt screens the electrostatic attraction, while increasing spacer length of gemini surfactant weakens its interaction with DNA.Another surfactant has also been studied for its DNA binding ability and we present a systematic study on interactions between cationic ionic liquid surfactant [C12mim]Br and DNA by experimental techniques and Molecular Dynamics (MD) simulation. By adding [C12mim]Br, DNA chains undergo compaction, conformational changes, with the change of net charges carried by the DNA/surfactant complex. MD simulation confirms the experimental results.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?