Conception de matériaux bio-hybrides associant Metal-Organic Frameworks et entités biologiques

Design of bio-hybrids materials based on Metal-Organic Frameworks and biological entities

• Auteur / Autrice : Jonathan Bachir
• Direction : Olivier David, Nathalie Steunou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 04/04/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lavoisier de Versailles
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Avenier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Horcajada, Damien Debecker, Thomas Devic, Vanessa Prévot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Horcajada, Damien Debecker
• DOI : 10.70675/9e8a3980z8940z4116zbb31z9c44054945fb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Metal-organic frameworks

Enzymes immobilisées

Biocatalyse

Mots clés libres

MOFs

Immobilisation

Enzyme

Protéine

Biocatalyse

MOFs

Immobilization

Enzyme

Protein

Bio-Catalysis

Résumé

Les enzymes sont des biocatalyseurs efficaces mais leur utilisation est limitée par leur fragilité inhérente et la difficulté de leur réutilisation. Ces limitations peuvent être palliées par leur immobilisation sur des supports solides. Pour que la matrice d'immobilisation soit efficace plusieurs prérequis sont nécessaires : 1) la matrice doit être stable dans les conditions d'utilisation (en particulier dans l'eau) ; 2) elle doit permettre un taux d'immobilisation élevé avec un relargage faible ; 3) elle ne doit pas affecter négativement l'activité catalytique de l'enzyme immobilisée, c'est-à-dire ne pas dénaturer l'enzyme, et permettre la diffusion des substrats jusqu'au site actif de l'enzyme et la diffusion des produits de réaction. Au regard de la littérature, il apparait que le choix de la matrice et la méthode d'immobilisation sont fortement liés au type d'enzyme employé et à l'application ciblée. Cette immobilisation d'enzyme sur un support solide peut se faire selon quatre grandes méthodes : l'adsorption par interactions faibles, le greffage covalent, l'inclusion dans les pores de la matrice ou le piégeage dans la matrice. L'encapsulation des enzymes au sein du support conduit à leur confinement tridimensionnel qui permet souvent d'améliorer leur stabilité.Ce travail s'est focalisé sur l'utilisation de Metal-Organic Frameworks comme matrice d'encapsulation d'enzymes. Les MOFs sont des matériaux hybrides, cristallins et poreux, obtenus par l'auto assemblage de blocs de construction inorganiques et organiques, créant ainsi des réseaux poreux. L'encapsulation de protéines dans des MOFs peut être effectuée par inclusion dans les pores de MOFs préformés, ceci nécessite une compatibilité de taille entre celle de l'enzyme et celle des pores. Sinon, l'enzyme peut être piégée dans (ou entre) des particules de MOF si la synthèse de celui-ci est réalisée in-situ en présence de l'enzyme. Cette stratégie requiert des conditions de synthèse compatibles avec la préservation de l'enzyme, c'est-à-dire dans l'eau et à température ambiante, qui ne sont pas des conditions usuelles pour les préparations de MOFs. Cette approche est donc limitée à quelques MOFs, et c'est pourquoi l'objectif principal de ces travaux a été d'étendre le nombre de systèmes pouvant être utilisés pour l'encapsulation d'enzymes.Différentes approches ont été employées au cours de ces travaux pour l'obtention de composite protéine-MOF. La première s'est centrée sur l'emploi d'un biopolymère pour permettre la mise en forme du composite afin de faciliter son utilisation et sa récupération. La deuxième s'est intéressée à l'immobilisation d'enzyme au sein d'un MOF mésoporeux, le MIL-100(Fe). Et une troisième méthode, s'est consacrée à l'ajout d'agents de cristallisation, lors de la synthèse du MIL-100(Fe).

Enzymes are effective biocatalysts, but their use is limited by their inherent fragility and the difficulty of reusing them. These limitations can be overcome by immobilizing them on solid supports. For the immobilization matrix to be effective, several prerequisites must be met : 1) the matrix must be stable under the conditions of use (particularly in water); 2) it must allow a high loading efficiency with low leaching; 3) it must not adversely affect the catalytic activity of the immobilized enzyme, i.e. it must not denature the enzyme, and must allow diffusion of substrates to the enzyme's active site and diffusion of reaction products. From the literature, it appears that the choice of matrix and immobilization method is closely linked to the type of enzyme used and the targeted application. There are four main methods of immobilizing enzymes on a solid support : adsorption by weak interactions, covalent grafting, inclusion in matrix pores or entrapment in the matrix. The encapsulation of enzymes within the support leads to their three-dimensional confinement, which often improves their stability.This work focuses on the use of Metal-Organic Frameworks (MOFs) as enzyme encapsulation matrices. MOFs are hybrid, crystalline and porous materials obtained by self-assembly of inorganic and organic building blocks, creating porous networks. Protein encapsulation in MOFs can be achieved by inclusion in the pores of pre-formed MOFs, but this requires compatibility of size between that of the enzyme and that of the pores. Alternatively, the enzyme can be trapped in (or between) MOF particles if the latter are synthesized in-situ in the presence of the enzyme. This strategy requires synthesis conditions compatible with enzyme preservation, i.e. in water and at room temperature, which are not usual conditions for MOF preparation. This approach is therefore limited to a few MOFs, and so the main aim of this work has been to extend the number of systems that can be used for enzyme encapsulation.Different approaches were employed in the course of this work to obtain protein-MOF composites. The first focused on the use of a biopolymer to shape the composite for easier use and recovery. The second focused on enzyme immobilization within a mesoporous MOF, MIL-100(Fe). And a third method focused on the addition of crystallization agents during the synthesis of MIL-100(Fe).