Interactions nanoparticules-protéines : caractérisation de la couronne protéique

Interactions nanoparticles-proteins : characterization of the protein corona

• Auteur / Autrice : Robin Capomaccio
• Direction : Sylvie Ricard-Blum
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie. Nanobiotechnologie
• Date : Soutenance le 18/12/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Molecular Microbiology and Structural Biochemistry (Lyon ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : René Buchet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Rossi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Jamin, Serge Stoll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Lumière -- Diffusion

Protéines

Nanoparticules

Mots clés libres

Dichroïsme circulaire

Nanoparticule

Protéine

AF4

DLS

Circular dichroism

Nanoparticle

Protein

AF4

DLS

Résumé

De nos jours, les nanomatériaux sont utilisés dans de très nombreux domaines allant de l’agroalimentaire à la santé en passant par l’industrie automobile et le textile. Dans ce contexte, de nombreuses disciplines comme la métrologie et la nanotoxicologie se sont fortement développées. Dans les milieux biologiques, les protéines interagissent avec les nanoparticules pour former une couronne de protéines. Cette couronne de protéines joue un rôle important dans les interactions des nanoparticules avec leur environnement. Comprendre et caractériser les interactions des nanoparticules avec les protéines permettraient d’améliorer l’utilisation des nanoparticules dans différents domaines, notamment dans celui de la santé. Nous avons d’abord mis au point une méthode de purification des nanoparticules permettant de préserver la structure et la composition de la couronne protéique (Asymmetric flow field-flow fractionation, AF4). Nous avons ensuite caractérisé la couronne protéique associée à ces nanoparticules par plusieurs méthodes telles que la sédimentation centrifuge différentielle, la microscopie électronique, des méthodes basées sur la diffusion de la lumière (diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la résonance plasmonique de surface localisée ou non), le dichroïsme circulaire classique et le Synchrotron Radiation Circular Dichroism (SRCD, Diamond, UK). Nous avons montré qu’une couronne d’albumine sérique humaine provoque une augmentation du diamètre hydrodynamique des nanoparticules d’or de 14 à 25,3 nm et une diminution de la densité d’un facteur 2. Ceci nous a permis de calculer que 19 molécules d’albumine en moyenne interagissent avec une nanoparticule. Les spectres de dichroïsme circulaire ont permis d’estimer que l’albumine conserve environ 70% de ses structures hélicoïdales lorsqu’elle est complexée avec les nanoparticules. Nous avons estimé l’affinité avec laquelle les nanoparticules d’or interagissent qui est d’environ 351 nM pour l’albumine et 513 nM pour la transthyrétine qui est riche en brins béta. Nous avons également optimisé une méthode de couplage de l’AF4 à un appareil de mesure de la diffusion dynamique de la lumière (DLS) pour améliorer la précision de la mesure du diamètre hydrodynamique des nanoparticules. Cette méthode précise et flexible permettra de caractériser de nombreuses modifications de surface des nanoparticules comme l’ajout de polyéthylène glycol, utilisées pour la conception de nano-médicaments

Nowadays, nanomaterials are used in numerous areas ranging from food to health through cars and textile engineering. In this context, many disciplines such as metrology and nanotoxicology, have been developed. In biological fluids, proteins interact with nanoparticles to form the protein corona, which plays an important role in mediating the interactions of the nanoparticles with their environment. Understanding and characterizing the interactions of nanoparticles with proteins and the corona structure would improve their use in various fields and particularly in the health sector. We have first developed a method based on Asymmetric Flow Field Flow Fractionation (AF4) for purifying gold nanoparticles preserving the structure and composition of the protein corona. Then we have characterized the protein corona associated to these nanoparticles by differential centrifugal sedimentation, electron microscopy, light scattering (dynamic light scattering, DLS), surface plasmon resonance (SPR) and localized SPR and by circular dichroism (classical CD and Synchrotron Radiation Circular Dichroism, SRCD, Diamond, UK). We have shown that human serum albumin corona increased the hydrodynamic diameter of the gold nanoparticles from 14 to 25.3 nm and decreases their density by a factor of 2. This enabled us to calculate that 19 albumin molecules on average interact with a nanoparticle. We have estimated by circular dichroism that albumin maintains about 70% of its helical structures when complexed with nanoparticles. The affinity between gold nanoparticles and proteins, is about 351 nM for albumin and 513 nM for transthyretin, which are enriched in helices and beta strands respectively. We have also optimized a coupling method between the AF4 system and the dynamic light scattering apparatus to improve the measurement accuracy of the hydrodynamic diameter of the nanoparticles. This accurate and flexible method will be helpful to characterize many surface modifications of the nanoparticles such as the addition of polyethylene glycol used for the design of nanodrugs