Fluctuations et interactions en situation de nano-confinement anisotrope

Flutuações e interações em situação de nano-confinamento anisotrópico

Interactions and fluctuations under anisotropic nano-confinement conditions

• Auteur / Autrice : Kévin Bougis
• Direction : Frédéric Nallet, Elisabeth Andreoli de oliveira, Laurence Navailles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, matière et nanosciences
• Date : Soutenance le 28/11/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Zakri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Nallet, Elisabeth Andreoli de oliveira, Laurence Navailles, Cécile Zakri, Doru Constantin, Christian Ligoure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Doru Constantin, Christian Ligoure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoconfinement

Encapsulation (chimie)

Interfaces (sciences physiques)

Autoassemblage

Rayons X -- Diffusion

Empilements lamellaires

Transitions de phases

ADN

Mots clés libres

Phase lamellaire

Diffusion de rayons X

Transition de décrochage

Interactions interfaciales

ADN

Confinement

Transition de phase

Fase lamelar

Espalhamento de raios-X

Transição de desligamento

Interações interfaciais

DNA

Confinamento

Transição de fase

Lamellar phase

X-ray scattering

“unbinding” transition

Interfacial interactions

DNA

Confinement

Phase transition

Résumé

La structure et les interactions qui stabilisent des empilements lamellaires lyotropes de bicouches lipidiques "poilues" (et dépourvues de charge électrique nette) dans leur état fluide sont principalement étudiées par diffusion de rayons X aux petits angles. Les empilements lamellaires sont utilisés comme matrices hôtes afin de confiner et d’encapsuler des nano-bâtonnets d’ADN qui s’auto-assemblent en différentes structures en fonction du confinement réalisé. L’objectif fixé est de comprendre l’origine des mécanismes qui sont responsables de la formation de tels assemblages supramoléculaires. Dans ce but,on s’intéresse aux mécanismes entropiques et interfaciaux, sensibles expérimentalement à la physico-chimie du système, cette dernière affectant notamment le caractère "lié"ou "non lié" des systèmes lamellaires à haute dilution. Un modèle thermodynamique est utilisé afin d’interpréter la décroissance exponentielle "classique" observée dans les profils de pression osmotique en fonction de l’hydratation, sans faire appel à la force"d’hydratation". Une transition structurale est mise en évidence, à faible hydratation,entre deux phases lamellaires "liées". Le changement structural de la bicouche est discuté en termes de couplage entre confinements vertical et latéral. La caractérisation de la matrice lamellaire hôte autorise finalement une description des organisations des bâtonnets d’ADN qui semblent directement corrélées aux propriétés physiques des bicouches, faisant ainsi apparaître quelques perspectives pour leur encapsulation au sein "d’ognons".

A estrutura e as interações, que estabilizam os empilhamentos lamelares liotrópicos dasmembranas lipídicas em seu estado fluido, são estudadas principalmente por espalhamento de raios-x a baixos ângulos. As membranas “peludas” (eletricamente neutras) são compostas de uma mistura em diversas proporções de lecitina, um fosfolipídio zwiteriônico, ede simulsol, um cotensoativo etoxilado não iônico similar a um copolímero dibloco (curto). Esses empilhamentos lamelares são utilizados como matrizes hospedeiras, com o intuito deconfinar e de encapsular nanobastões de DNA que se auto organizam em diferentes estruturas,em função do confinamento aplicado. O objetivo fixado é de compreender aorigem dos mecanismos responsáveis pela formação dessas organizações supramoleculares,não regidas pelas interações eletrostáticas. Dessa forma, nos interessamos aos mecanismos entrópicos e interfaciais, que são ligados à elasticidade membranar e às interações mais específicas que intervêm nas interfaces membrana-membrana ou DNA-membrana. Aabordagem experimental consiste em modificar os diferentes parâmetros físico-químicosda matriz hospedeira, como a hidratação do sistema, a natureza química do cotensoativo (blocos hidrofóbicos e/ou hidrofílicos) e a proporção de cotensoativo no interior da membrana.O cotensoativo tem então uma função chave para modificar os dois mecanismos,perturbando o estado “ligado” ou “não-ligado” em sistemas lamelares altamente diluídos.Um modelo termodinâmico é utilizado para interpretar o decréscimo exponencial “clássico”observado para os perfis de pressão osmótica, quando se aumenta a hidratação, semutilizar a “força de hidratação”. Uma transição estrutural é evidenciada, à baixahidratação, entre duas fases lamelares “ligadas”. A mudança estrutural da membranaé discutida graças ao acoplamento entre confinamento lateral e vertical, em analogia àconhecida transição “escova-cogumelo” induzida pelo confinamento lateral, relevante paralongos polímeros lineares funcionalizados em superfícies rígidas [10]. A caracterizaçãoda matriz lamelar hospedeira permite, finalmente, uma descrição das organizações dosbastões de DNA que parecem diretamente correlacionados com as propriedades físicasdas membranas, deixando, então, algumas perspectivas para sua encapsulação no interiorde estruturas semelhantes a ”cebolas”.

Structure and interactions stabilizing the lyotropic lamellar stack of (electrically-neutral)mixed "hairy" lipid bilayers in their fluid state are mainly investigated by means of small angleX-ray scattering. The lamellar stacks are used as hosts to confine and encapsulate DNA nanorods which organize themselves into different structures depending on the confinement.The challenge here is to understand the mechanisms responsible for the formation of these supramolecular assemblies. In this aim, we are interested in entropic and interfacial mechanisms which are both experimentally sensitive to the physical-chemistry of the system, changing in particular the “bound” or “unbound” character of the waters wollen systems. A thermodynamic model is then used for interpreting the “classical”exponential decay obtained in osmotic profiles as a function of hydration, without resorting to “hydration forces”. A structural transition between two different “bound” lamellar phases is brought out at low hydration. The bilayer structural changes are discussed as resulting from a coupling between lateral and vertical confinements. The lamellar host characterization finally allows a description of the DNA nanorods organizations which seem to be directly correlated to the physical properties of the bilayers, leaving some perspectives for the encapsulation inside “onions”.