Conception, synthèse et mécanisme de transport de canaux d'eau artificiels hydrophiles

Design, synthesis and transporting mechanism of hydrophilic artificial water channels

• Auteur / Autrice : Libo Huang
• Direction : Mihai Barboiu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 23/11/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Giuseppone
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mihai Barboiu, Nicolas Giuseppone, Stéphane Vincent, Andreea Pasc, Sophie Cerneaux, Narcis Avarvari, Sébastien Ulrich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Vincent, Andreea Pasc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bionique

Reconnaissance moléculaire

Membrane cellulaire

Mots clés libres

Membranes

Canaux artificiels

Reconnaissance moleculaire

Biomimétisme

Dessalement

Membranes

Water channels

Molecular recognition

Biomimicry

Desalination

Résumé

L'eau joue un rôle crucial dans toutes les cellules et organismes vivants, et la régulation efficace de l'homéostasie dynamique de l'eau transmembranaire est essentielle pour la plupart des processus biologiques. Les aquaporines, en tant que protéines naturelles, sont capables de faciliter le transport de l'eau à travers les membranes cellulaires avec une perméabilité élevée et une sélectivité exceptionnelle. Cependant, les aquaporines possèdent une structure complexe ainsi qu’une faible stabilité dans les milieux artificiels autres que les membranes cellulaires. Ceci a incité les chercheurs à imiter les aquaporines et à développer des canaux d'eau artificiels combinant une perméabilité et sélectivité élevées avec une stabilité chimique. Dans cette thèse, nous avons élaboré et synthétisé une série de petites molécules amphiphiles avec des structures spécifiques utilisées pour construire des canaux d'eau artificiels présentant des cavités hydrophiles, un squelette d'assemblage d'urée et des chaînes latérales hydrophobes en interaction avec des membranes externes. De plus, nous nous sommes concentrés sur les performances de transport d'eau à travers les canaux d'eau artificiels situés dans des membranes en bicouches et des membranes polymériques. Nous avons obtenu principalement trois parties de résultats de recherche. Cette thèse vise à résoudre les problèmes déjà mentionnés ci-dessus par le développement de nouveaux canaux d'eau synthétiques afin de bénéficier de leur polyvalence, richesse chimique, structure compatible et enfin leur facilité de mise en solution.Dans le chapitre I, nous citons tout ce qui est actuellement rapportés à propos du développement historique et les avancées significatives sur les canaux d'eau artificiels. Ensuite, nous essayons d’indiquer les éléments structurels et les principes d'auto-assemblage supramoléculaire régissant les mécanismes de transport sélectif de l'eau, conduisant à des membranes biomimétiques innovantes basées sur les AWC pour des applications dans le dessalement. En outre, dans le chapitre II, nous présentons des octyl-uréido-polyols capables de s'auto-assembler en canaux hydrophiles qui transportent de manière adaptative des molécules ou des clusters d'eau en fonction de leur concentration dans les membranes lipidiques. Ensuite, pour mieux comprendre les différences entre les approches de perméation des fils d'eau et des clusters d'eau, nous présentons dans le chapitre III des canaux d'eau diimidazole en forme de U synthétisés à partir de dérivés de pyridine bis(formamide-éthyl-imidazole) dont les structures monocristallines révèlent les deux comportements distincts correspondant au transport de l'eau. Dans le dernier chapitre, nous étudions les déterminants structurels affectant la performance des canaux d'eau I-quartet dans des membranes en bicouches et des membranes polymériques, et nous développons de nouveaux concepts de dessalement par le biais des membranes AWC bio-assistées.Ce projet de doctorat introduit de nouveaux canaux d'eau synthétiques et développe l'analyse structure-performance qui peut être utilisée pour rationaliser la conception de canaux d'eau artificiels en vue de la fabrication de membranes hautement permsélectives pour le dessalement.

Water plays a crucial role in all living cells and organisms, and efficient regulation of transmembrane water dynamic homeostasis is essential for most biological processes. Aquaporins, as naturally occurring proteins, are able to facilitate the transport of water across cell membranes with high permeability and exceptional selectivity. However, the structural complexity and poor stability of aquaporins in artificial media other than cellular membranes have prompted researchers to mimic aquaporins and develop artificial water channels combining high permeability and selectivity with chemical stability. In this thesis, we have designed and synthesized a series of small amphiphilic molecules with specific structures used to construct artificial water channels with hydrophilic cavities, urea scaffolding backbone and hydrophobic lateral chains in interaction with external membranes. Moreover, we focused on the water transport performances of artificial water channels in bilayer and polymeric membrane environments, and mainly obtained three parts of research results. This thesis hopes to tackle the above issues through developing new synthetic water channel to leverage their versatility, rich chemistry, tunable structures, and solution-processability.In Chapter I, we start with the historical development and significant advancements of current reported artificial water channels, and attempt to reveal important structural insights and supramolecular self-assembly principles governing the selective water transport mechanisms, toward innovative AWC-based biomimetic membranes for desalination. Furthermore, in Chapter II, we report octyl-ureido-polyols capable of self-assembly into hydrophilic hydroxy channels which adaptively transport water molecules or clusters depending on their concentration in lipid membranes. Afterwards, to get deeper insight into the differences of water-wires/water-clusters permeation approaches, we bring forward U-shaped diimidazole water channels constructed from pyridine bis(formamide-ethyl-imidazole) derivatives in which single-crystal structures reveal the two distinct transport behaviors of water, in Chapter III. In the final chapter, we investigate the structural determinants affecting the performance of I-quartet water channels in bilayer or polymeric membranes, and develop new concepts for desalination through bio-assisted AWC-membranes.This Ph.D. project introduces new synthetic water channels, and elaborate on the structure-performance analysis that can be used to rationalize artificial water channels design toward the fabrication highly permselective membranes for desalination.