Molecularly imprinted polymers as selective sorbents for recognition in complex aqueous samples

par Sofia Nestora

Thèse de doctorat en Biotechnologie : Unité de recherche Génie Enzymatique et Cellulaire - GEC (FRE-3580)

Sous la direction de Karsten Haupt, Claire Rossi et de Bernadette Tse Sum Bui.

Soutenue le 13-04-2017

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Génie Enzymatique et Cellulaire / GEC (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Polymères à empreintes moléculaires en tant qu’adsorbants sélectifs pour la reconnaissance dans des milieux aqueux complexes


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous avons démontré la faisabilité de la préparation de polymères à empreinte moléculaires (MIP) hautement sélectifs pour la reconnaissance dans des matrices aqueuses complexes avec des applications dans les cosmétiques et en technologie alimentaire. Les MIP (de l'anglais molecularly imprinted polymers) sont des récepteurs synthétiques comparables aux anticorps, qui sont synthétisés par co-polymérisation de monomères fonctionnels et réticulants en présence d'un gabarit moléculaire. Leurs propriétés de reconnaissance moléculaire, associées à leur grande stabilité, robustesse mécanique, faible coût et leur synthèse facile les rendent extrêmement intéressants comme matériaux de capture sélective, avec des applications dans les séparations analytiques, la détection et la vectorisation des médicaments. Cependant, leur reconnaissance sélective dans des milieux aqueux reste toujours problématique et c'est l'une des raisons de leur expansion commerciale restreinte. Dans une première partie, nous avons développé un MIP fonctionnant en milieu aqueux pour son application comme ingrédient actif dans un déodorant. Les odeurs corporelles sont principalement dues à des acides gras volatils générés à partir de leurs précurseurs, des conjugués de glutamine par des enzymes hydrolytiques produites à partir de bactéries présentes sur la peau. La plupart des anti-transpirants et des déodorants actuellement commercialisés contiennent des sels d'aluminium et des agents antibactériens non spécifiques, respectivement. Cependant, l'utilisation extrêmement étendue de ces produits nécessite des solutions alternatives en ce qui concerne divers problèmes (environnement, respect de l'écosystème de la peau, toxicité, etc.). Pour cette raison, un MIP a été synthétisé pour capturer les précurseurs conjugués de glutamine afin qu'ils ne soient plus disponibles aux bactéries, empêchant ainsi leur transformation en composés malodorants. Afin de générer des liaisons sélectifs dans des environnements aqueux, un monomère à base d'amidinium qui peut former une interaction électrostatique stoechiométrique forte avec les groupes carboxyle sur le gabarit moléculaire a été synthétisé. Le MIP, mélangé dans une formulation dermo-cosmétique, pourrait capter sélectivement les précurseurs conjugués de glutamine, au milieu d'une multitude d'autres molécules présentes dans la sueur humaine. En outre, le MIP n’affecte pas les bactéries de la peau, ouvrant la voie à des déodorants innovateurs de nouvelle génération, moins problématiques pour la santé. Dans une deuxième partie, nous avons développé une procédure rapide et efficace basée sur l'extraction en phase solide à empreinte moléculaire (MISPE) pour la purification sélective de la bétanine et de son stéréoisomère l’isobétanine à partir d'extraits de betterave. La bétanine est un pigment naturel ayant un fort pouvoir antioxydant et dont les propriétés pharmacologiques sont de plus en plus étudiées. Ce pigment est actuellement utilisé comme simple colorant alimentaire. Dans notre étude, l'acide dipicolinique a été utilisé comme gabarit moléculaire pour la synthèse de MIP, en raison de sa similarité structurelle avec le groupe chromophore de la bétanine. Les procédures MISPE ont été optimisées permettant l'élimination presque complète des glucides issus de la matrice végétale ainsi que la majorité des protéines, ce qui permet d'obtenir un rendement élevé d'extraction de la bétanine / isobétanine en une seule étape. De plus, toute la procédure d'extraction a été réalisée dans des solvants respectueux de l'environnement, tels que l'éthanol ou l'eau. Pour conclure, nous sommes convaincus que ce travail pave le chemin au développement d'une nouvelle génération des MIP fonctionnant en milieu aqueux avec des propriétés de reconnaissance améliorées dans des environnements complexes, qui pourra s'appliquer également à d'autres domaines biotechnologiques et biomédicaux.


  • Résumé

    In this thesis, we have demonstrated the feasibility of preparing highly selective molecularly imprinted polymers (MIPs) for recognition in complex aqueous matrices with applications in cosmetics and food technology. MIPs are synthetic tailor-made receptors, with binding affinities and specificities comparable to those of natural antibodies. Their molecular recognition properties, combined with their high stability, mechanical robustness, low cost and easy synthesis make them extremely attractive as selective capture materials with applications in analytical and preparative separations, sensing and drug delivery, among others. However, their selective recognition in aqueous samples still remains problematic and is one of the reasons for their so far lilited commercial expansion. In the first part, we developed a water compatible MIP for its application as an active ingredient in a deodorant. Body odors are mainly due to volatile fatty acids generated from their glutamine conjugate precursors by hydrolytic enzymes from bacteria present on the skin. Most currently marketed anti-perspirants and deodorants contain, respectively aluminum salts and unspecific antibacterials. However, the extremely wide use of these products requires alternative solutions with regard to various problems (environmental, respect of skin ecosystem, toxicity, etc.). For this reason, a MIP was developed to capture the glutamine conjugate precursors so that they are no longer available to the bacteria, thus preventing their transformation to malodorous compounds. In order to generate binding selectivity in aqueous environments, an amidinium-based monomer which can form a strong stoichiometric electrostatic interaction with the carboxyl groups on the template, was synthesized. The MIP, blended in a dermo-cosmetic formulation, could capture selectively the glutamine precursors, amidst a multitude of other molecules present in human sweat. Furthermore, the MIP did not affect the skin bacteria, paving the way to an innovative and 'safer ' future-generation deodorant. In the second part, we developed a fast and efficient procedure based on molecularly imprinted solid­ phase extraction (MISPE) for the selective clean-up of betanin and its stereoisomer isobetanin from red beetroot extracts. Betanin is a natural pigment with significant antioxidant and biological activities currently used as food colorant. Dipicolinic acid was used as template for the MIP synthesis, because of its structural similarity to the chromophore group of betanin The MISPE procedures were optimized allowing the almost complete removal of carbohydrates and the majority of proteins, resulting in high extraction recovery of betanin / isobetanin in a single step. Moreover, the whole extraction procedure was performed in environmentally friendly solvents with either ethanol or water. To conclude, we believe that this study paves the way towards the development of a new generation of water compatible MIPs with improved recognition properties in highly complex aqueous environments, and should be applicable to other biotechnological and biomedical areas as well.


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