Brosses de nanotubes autoassemblés pour la biocatalyse contrôlée par la température

Brushes of self-assembled nanotubes for temperature-responsive biocatalysis

• Auteur / Autrice : Diana Guadalupe Ramirez Wong
• Direction : Christian Bonhomme, Sophie Demoustier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/09/2014
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Université catholique de Louvain (1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lavalle, Jacques Devaux, Christine Dupont, Yvette Tran, Alain M. Jonas, Pierre Labbé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Enzymes

Biocatalyse

Réactions chimiques

Nanotubes

Mots clés libres

Autoassemblage

Nanostructures

Enzyme

Biocatalyse

Surfaces

Stimuli-Répondant

Résumé

Nous nous sommes inspirés des solutions élégantes que la Nature propose, concernant le contrôle et l’optimisation de réactions spécifiques, pour présenter une tentative d’imitation des interfaces biocatalytiques au niveau de nanotubes. Des brosses de nanotubes auto-assemblés à l’aide d’un composé enzymatique, la bêta-lactamase, ont été préparées via des techniques de nanofabrication comme le «layer-by-layer» et le «hard templating».En premier lieu, les effets de confinement géométriques et ses conséquences ont été étudiés et comparés pour des assemblages de films de chitosan/bêta-lactamase sur des surfaces planes et au sein de membranes nanoporeuses.Ensuite, des nanotubes de polyélectrolytes de dimensions contrôlées ont été préparés dans des membranes nanoporeuses puis ancrés sur une surface par couplage chimique pour obtenir des brosses de nanotubes. Des études cinétiques révèlent la présence d’enzymes actives dans ces brosses et une amélioration de la préservation de l’activité quand la bêta-lactamase a été déposée dans les couches intérieures des nanotubes.Enfin, une variété de couches thermo-sensibles avec différentes architectures a été testée pour contrôler la diffusion du substrat sur les films multicouches de bêta-lactamase. L’intégration d’éléments thermo-sensibles stables a été prouvée. Mais des expériences complémentaires avec des mécanismes plus complexes tels que le couplage des réponses thermiques et mécaniques sont nécessaires pour contrôler la biocatalyse impliquant des couches supplémentaires.En résumé, cette étude présente des éléments ouvrant la voie à l’intégration de techniques pour la fabrication de nanostructures complexes pour la biocatalyse.

Inspired by the elegant solutions that Nature has provided to control and promote specific site-reactions, my work presents an attempt to mimic filamentous biocatalytic interfaces. Brushes of self-assembled nanotubes with an enzymatic component (beta-lactamase) were prepared taking advantage of preexisting nanofabrication techniques, such as layer-by-layer and hard-templating.First, the effects of geometrical confinement and its consequences were investigated by comparison of (chitosan/beta-lactamase) multilayer film assembly on flat surfaces and in nanoporous membranes. In a second stage, polyelectrolyte nanotubes with controlled dimensions were prepared in nanoporous membranes and further anchored on a surface by chemical crosslinking to obtain brushes of nanotubes. The kinetic studies revealed the presence of active enzyme in the brushes and enhanced activity preservation when beta-lactamase was deposited as the inner layers of the nanotubes.As a final step, a variety of thermo-responsive coatings with different architectures were tested to control substrate diffusion on top of beta-lactamase-based multilayer films. The integration of stable thermo-responsive elements was proven, although further experiments are required to control biocatalysis with additional layers and using more complex mechanisms, such as coupled thermal and mechanical responses. Knowing that there are more challenges to face before reaching optimum nanotube brushes and apply them for controlled biocatalysis, this study contributes with some elements that may pave the way towards the integration of different techniques for the fabrication of complex biocatalytic nanostructures.