Interaction des protéines avec les micro et nanoplastiques

par Florent Saudrais

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Serge Pin et de Yves Boulard.

Thèses en préparation à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux la Biomédecine et l'Énergie (laboratoire) , Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramolécualire (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Plusieurs millions de tonnes de débris plastiques, se retrouvent chaque année dans l'eau ou les sédiments (estimés à 4-12 106T/an en 2010 avec un ordre de grandeur supplémentaire attendu d'ici 2025. Référencés suivant leur taille, les microplastiques (MP < 5mm et les nanoplastiques (NP < 100nm à < 1µm, suivant les communautés sont des polluants d'un nouveau genre qui peuvent soit se stabiliser dans l'eau ou au contraire s'agréger et sédimenter. Ceci explique qu'on en retrouve dans tous les compartiments marins (eau de surface, colonne d'eau, sédiments dont profonds et organismes), y compris aux pôles Les études en cours suggèrent une plus grande concentration des 'petits' microplastiques (MP<100 µm) et l'existence de nanoplastiques (NP<300 nm) dans les eaux océaniques. Par leurs tailles, ils soulèvent de graves préoccupations pour la santé et l'environnement car ils peuvent être ingérés par les organismes aquatiques et s'accumuler dans la chaine alimentaire animale et humaine En raison des difficultés liée à leur identification, les MP inférieurs à quelques microns et les NP (regroupés ici sous le signe MNP < 1µm) sont ceux qui posent le plus de questions à la recherche et sont ceux que nous utiliserons car ils ont la plus grande tendance à s'adsorber et/ou traverser certaines membranes biologiques. Malgré le grand nombre de travaux engagés, on constate le manque d'études des mécanismes moléculaires et des interactions bio-colloïdales impliquant les MNP. Ceci provient en particulier de la méconnaissance de la nature chimique des surfaces des MNP une fois dans l'environnement, après formation d'une 'corona' issue du milieu et qui affecte drastiquement leurs interactions. Dans un milieu biologique, les nanoparticules ne sont pas présentes 'nues' en solution mais sont rapidement recouvertes par des molécules de l'environnement qui peuvent s'adsorber à leur surface. Ces molécules sont essentiellement des protéines et, on parle d'ailleurs de la couronne de protéines (corona) même si d'autres molécules comme les lipides, les sucres, et les acides nucléiques peuvent interagir avec des nanoparticules. La nouvelle entité formée par l'ensemble nanoparticule/couronne de protéines possède ainsi une 'identité biologique' particulière qui va influer sur le devenir de la nanoparticule, par exemple son internalisation ou non, sa durée de vie dans l'organisme: élimination ou stockage de cette nouvelle entité. Dans les fluides biologiques, les particules sont en contact avec des milliers de protéines qui ont toutes des affinités différentes vis-à-vis de leur surface. De nombreux facteurs peuvent influencer la formation et la composition de la couronne de protéines dans un tel milieu biologique complexe. La forme, la taille, la rugosité, l'agrégation des particules sont des paramètres qui peuvent influencer les interactions particules-protéines. Concernant l'extrait protéique, la séquence, les charges, l'hydrophobicité mais aussi la structure, la dynamique, la taille des protéines sont des facteurs à considérer dans l'interaction. Enfin, les caractéristiques physico-chimiques du milieu extérieur tel que le pH, la force ionique peuvent moduler la formation de la couronne de protéines. La présence d'un milieu circulant peut aussi modifier significativement la composition de la couronne protéique par rapport à un milieu statique. L'objectif de cette thèse est d'analyser les paramètres déterminant les interactions protéines/MNP et l'éventuelle formation de la couronne protéique. Nous proposons une démarche orientée avant tout vers une compréhension mécanistique des interactions MNP-protéines. Basé sur une approche biochimique, notre projet a comme objectifs de i) mieux comprendre les mécanismes moléculaires d'interactions des protéines avec les MNP, ii) déterminer comment des protéines sont adsorbées et dans ce cas, iii) caractériser des déterminants physico-chimiques, structuraux ou fonctionnels particuliers. Il est basé en particulier sur une méthodologie originale et déjà éprouvée combinant des résultats issues de la protéomique avec une analyse statistique, structurale et fonctionnelle des protéines qui nous a permis d'approfondir nos connaissance sur les interactions nanoparticules-protéines.(1-3) Mais elle irriguera aussi les méthodes de préparation de MNP pour les études in vivo en proposant des solutions alternatives pour les stabiliser et les études de translocations des MNPs. 1) Mathe, C., S. Devineau, J.-C. Aude, G. Lagniel, S. Chedin, V. Legros, M.-H. Mathon, J.-P. Renault, S. Pin, Y. Boulard and J. Labarre (2013) 'Structural Determinants for Protein adsorption/non-adsorption to Silica Surface.' Plos One 8: e81346 2) Klein G, Mathe, C., Biola-Clier, M., Devineau, S., Drouineau, E., Hatem, E., Marichal, L., Alonso, B., Gaillard, J. C., Lagniel, G., Armengaud, J., Carriere, M., Chedin, S., Boulard, Y., Pin, S., Renault, J. P., Aude, J. C., Labarre, J., RNA-binding proteins are a major target of silica nanoparticles in cell extracts. Nanotoxicology, 2016. 10(10): p. 1555-1564. 3) Bourgeault, A., V. Legros, F. Gonnet, R. Daniel, A. Paquirissamy, C. Benatar, O. Spalla, C. Chaneac, J. P. Renault and S. Pin (2017). 'Interaction of TiO2 nanoparticles with proteins from aquatic organisms: the case of gill mucus from blue mussel.' Environmental Science and Pollution Research 24(15): 13474-13483.

  • Titre traduit

    Interaction of protein with micro and nanoplastics


  • Résumé

    Micro- and nanoplastics are new types of pollutants. Due to their size, they raise serious health and environmental concerns because they can be ingested by aquatic organisms and accumulate in the feed and food chain. The objective of this thesis is to describe the interactions between micro and nanoplastics and proteins, interactions that will control the fate of these pollutants in biological environments.