Structures et mécanismes de formation de complexes polyélectrolyte-protéine

par Jérémie Gummel

Thèse de doctorat en Chimie. Physico-chimie

Sous la direction de François Boué.

Soutenue en 2006

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Diffusion de neutrons aux petits angles

Résumé

Les mécanismes régissant la formation de complexes constitués de chaînes polymères chargées (polyélectrolytes) et de protéines, rencontrés dans l’agro-alimentaire, la pharmacologie ou la biologie, mènent à des structures mal connues jusqu’ici. Nous les avons étudiées par Diffusion de Neutrons aux Petits Angles (DNPA), associée au marquage par deutériation du polymère et à la variation de contraste dans des mélanges eau lourde - eau légère. La protéine est le lysozyme (chargé positivement à pH < 11) et le polyélectrolyte le polystyrène sulfonate (PSS, toujours chargé négativement) ; le rapport des charges apportées ([-]/[+]) est un paramètre essentiel. Lorsqu’il est proche de 1, on obtient soit un gel de PSS réticulé par les protéines, qui contractent partiellement les chaînes de PSS, tout en les laissant en régime interpénétré (semi dilué), soit des globules denses (rayon ~10 nm) avec agrégation fractale à plus grande échelle lorsqu’après contraction les chaînes sont trop courtes et passent en régime désinterpénétré (dilué). Cette structure très bien définie a permis une étude fouillée: nous avons montré que le cœur des globules possède une charge nulle, que les espèces introduites en excès du point de vue électrostatique restent en solution, éventuellement dans des couronnes pour le PSS, et que leur taille finie est fixée par la force ionique. Une mesure spécifique de la localisation des contre-ions a prouvé qu’ils sont expulsés du cœur des complexes lors de leur formation. La conformation des chaînes au sein des complexes a été mesurée par marquage adapté. Enfin lorsque [-]/[+]>>1, un réseau transitoire fluide et limpide de protéines dénaturées par le PSS est obtenu.

Titre traduit

Structures and formation mechanisms of polyelectrolyte-protein complexes

Résumé

The mechanisms driving the formation of complexes made of charged polymeric chains (polyelectrolytes) and proteins, found in domains such as food engineering, pharmacology, or biology, lead to structures still poorly known. We studied them by Small Angle Neutron Scattering (SANS) and used deuterated polymer and contrast matching in solvents made of heavy water and light water. The protein is the lysozyme (positively charged at pH<11) and the polyelectrolyte is polystyrene sulfonate (PSS, always negatively charged). The ratio of charges brought ([-]/[+]) is an essential parameter. When it is close to 1, two structures can be obtained. One is a gel of PSS crosslinked by the proteins, that locally shrink the PSS chains but keep them in an entangled regime (semi-diluted). The other is made of dense globules (radius ~10 nm) with a fractal organisation at higher scale where the chains are too short and are in a disentangled regime (diluted) after being shrunk. This structure is very well defined and allows a deeper study: we have shown that the core of the globules has a null charge, that the species in excess in an electrostatic point of view stay in solution, possibly in a shell for the PSS chains, and that their size is fixed by the ionic strength. A specific measurement of the counterions has proved that they are ejected from the core of the complexes during their formation. The conformation of the chains inside the complexes has been measured using an adapted labelling. Finally when [-]/[+]>>1, a fluid and limpid transient network of proteins denatured by the PSS is obtained.