Functionnalization of single nanopore by polymers : conformation, transport and applications

par Tianji Ma

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Sébastien Balme.

Soutenue le 14-11-2019

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut Européen des membranes (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Juan Pelta.

Le jury était composé de Sébastien Balme, Juan Pelta, Bernard Tinland, Laurent Bacri, Mathilde P. Lepoitevin, Sophie Tingry.

Les rapporteurs étaient Bernard Tinland, Laurent Bacri.

  • Titre traduit

    Fonctionnalisation de nanopore unique par des polymères : conformation, transport et applications


  • Résumé

    Les canaux biologiques sont des protéines situées sur la membrane cellulaire. Ils permettent de maintenir l'équilibre des électrolytes et le transport des molécules. Ces canaux protéiques peuvent répondre à de multiples stimuli tels que la lumière, le pH, la force ionique et le potentiel transmembranaire afin de réguler leur perméabilité et leur sélectivité. Pour imiter ces pores biologiques, des nanopores artificiels ont été fabriqués des matériaux inorganiques ou polymères. Leurs avantages sont la simplicité de fabrication et leur stabilité mécanique et chimique. Cependant, ils sont généralement moins sélectifs et ne répondent pas aux stimuli externes. Pour améliorer leurs propriétés, leur fonctionnalisation est requise pour améliorer leurs propriétés de perméabilité, de sélectivité ou leur donner la capacité de détecter des biomolécules spécifiques.Dans cette thèse, nous avons cherché à fonctionnaliser des nanopores obtenus par la méthode des traces attaquée avec des polymères pour trois applications: mimer canal ionique sensible aux stimuli, la récupération de l’énergie osmotique et les biocapteurs. Pour mimer les canaux ioniques stimuli répondant, nous avons construit deux types de nanopore : l’un fonctionnalisé par auto-assemblage couche par couche de différent polyélectrolytes est sensible au pH. Le second est sensible à la lumière et au pH est obtenu par greffage chimique de Polyethylène glycol-spiropyran. L'isomérisation induites par la lumière et la protonation / déprotonation causées par le changement de pH peuvent modifier la charge et la conformation de molécules fonctionnelles modulant ainsi l’ouverture et la perm-sélectivité du pore. Pour la récupération d'énergie osmotique, nous avons suivi deux stratégies pour améliorer la sélectivité ionique de la membrane afin d’améliorer le rendement énergétique. La première approche consiste au dépôt couche par couche de polyélectrolytes sur la surface des pores pour augmenter la densité de charge de surface. La seconde stratégie est basée sur le remplissage sur pore par un hydrogel hautement chargé synthétisé in-situ. Les résultats ont montré une production d'énergie de 20 pW par pore pour les deux stratégies. La fonctionnalisation avec l’hydrogel permet d'utiliser une géométrie cylindrique permettant de fabriquer des membranes avec une haute densité de pores. Pour l’application biocapteur, , nous avons développé un nanopore fonctionnalisé par PLL afin de détecter la contamination de l’héparine par chodroitine sulfate oversulfatée (OSCS) en utilisant le principe de la diode ionique. Après avoir été traitée aux héparinases, la concentration en héparine dans les résidus peut refléter quantitativement la concentration en OSCS par la mesure de la rectification du courant ionique (ICR). Ces expériences ont aussi permis de confirmé la possibilité de caractériser la cinétique de dégradations enzymatiques par une nanopore unique. Pour aller plus loin, nous avons immobilisé des hyaluronidases dans le nanopore afin de caractériser les réactions enzymatiques au niveau d'une molécule à l'aide de la technique de pulse de résistance. Les résultats ont montré que la durée du complexe entre une hyaluronidase et une molécule d'acide hyaluronique pour une réaction est d'environ 1 seconde.Dans cette thèse, nous démontrons l’intérêt des nanopores obtenus par la technique des traces attaquée et fonctionnalisés par polyélectrolytes. Ces nanopore uniques peuvent être facilement reproduit et adapter pour concevoir d'autres systèmes pour des applications dans santé et d'énergie.


  • Résumé

    Biological channels are proteins inserted in the cell membrane that keep ion equilibrium and ensure the molecule transport. These protein channels can respond to multiple stimuli like light, pH, ion strength and trans-membrane potential to regulate their permeability and selectivity. To mimic these biological pores, artificial nanopores have been has been developed on solid-state or polymer materials. The advantages of such artificial nanopores are simplicity of fabrication and mechanical, chemical stabilities. However the shortcomings are also clear that they usually have less selectivity and responsiveness to external stimuli. To enhance their properties, the functionalization is required in order to change their properties like permeability, selectivity or give them abilities to detect specific biomolecules.In this thesis, we aimed to functionalize track-etched nanopore with polymer for three applications: stimuli-responsive ion channel, osmotic energy harvesting and biosensing. For stimuli-responsive ion channel, we constructed two channels: one is functionalized by layer-by-layer self-assembly of various polyelectrolytes to respond to pH. The second one can respond to light and pH based on chemical grafting of spiropyran-PEG chains. Light induced isomerization and protonation/deprotonation caused by pH change can change the charge and conformation of functional molecules. Thus these changes can modulate ion perm-selectivity of the channel. For osmotic energy harvesting, we have followed two strategies to improve ion selectivity of membrane to get higher energy output. One used layer-by-layer depositing of polyelectrolytes on pore surface to enhance charge density. The other strategy used a high charged hydrogel synthesized inside the pore. Results showed a high energy generation for both two strategies of 20 pW per pore. The hydrogel functionalization makes it possible to use cylindrical geometry which is adequate for high pore density membrane. For biosensing application, we developed a PLL functionalized nanopore to detect oversulfated chondroitine sulfate (OSCS) contamination in heparin samples based on ionic diode principles. After being treated by heparinase, the heparin concentration in residue can quantitatively reflect the OSCS concentration based on ionic current rectification change. This experiment also confirmed the ability of track-etched nanopore to characterize the kinetics of enzymatic degradations. To go further, we immobilized hyaluronidases in the channel to characterize the enzymatic reactions at single molecule level using resistive pulse technique. The results showed that the duration of complexion between one hyaluronidase and one hyaluronic acid molecule for one reaction is around 1 second.In this thesis, we show the strong ability of polyelectrolytes functionalized track-etched nanopore. These well-designed systems can be easily scaled up and these well-developed principles can be used to design other systems to solve more problems in health and energy.


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