Activité biologique et électrochimie de protéines membranes, de bactéries et de bactériophages dans un matériau sol-gel hybride

Biological activity and/or electrochemistry of membrane proteins, bacteria and bacteriophages in a hybrid-based sol-gel material

• Auteur / Autrice : Wissam Ghach
• Direction : Alain Walcarius, Mathieu Étienne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 03/10/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour les Matériaux et l’Environnement (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Christian Mustin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Janice Limson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Bergel, Anne Galarneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioélectrochimie

Sol-gel, Procédé

Systèmes moléculaires organisés

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Sol-gel

Matériaux hybrides

Bioencapsulation

Électrodépôt

Bactérie

Biofilm artificiel

Protéine rédox membranaire

Bactériophage

Transfert électronique

Cytochrome C

Sol-gel

Hybrid materials

Bioencapsulation

Electrodeposition

Bacteria

Artificial biofilm

Membrane-associated enzyme

Bacteriophage

Electron transfer

Cytochrome C

Résumé

Le travail décrit dans cette thèse a été mené à l'interface entre trois disciplines: l'électrochimie, la science des matériaux et la microbiologie. L'objectif de cette recherche était tout d'abord d'étudier l'activité de bactéries immobilisées dans un film de silice déposé par le procédé sol-gel à la surface d'électrodes. Les applications potentielles de ce travail fondamental sont les biocapteurs, les bioréacteurs ou biopiles. L'encapsulation bactérienne assistée par électrochimie a été développée en utilisant l'électrolyse du sol de départ pour immobiliser la bactérie Escherichia Coli dans une couche mince sol-gel hybride. La combinaison de précurseurs de silice, de chitosan, de poly(ehtylène glycol) et de tréhalose permet de préserver l'intégrité membranaire et l'activité métabolique. L'électrochimie a ensuite été utilisée comme moyen analytique. Shewanella putrefaciens et Pseudomonas fluorescens ont été encapsulées dans un film à base de silice et les réactions de transfert d'électron de la bactérie à différent médiateurs rédox ont été analysées. Des nanotubes de carbone fonctionnalisés par des espèces ferrocène et la protéine rédox cytochrome c ont été utilisés pour faciliter ce transfert électronique au sein de cette matrice de silice isolante, permettant l'obtention d'un biofilm artificiel. Ces deux types de médiateurs, chimique ou biologique, ont conduit à des sensibilités différentes de la bioélectrode à l'ajout du substrat pourvoyeur d'électron en raison des mécanismes différents impliqués pour transférer ces électrons. L'immobilisation de protéines rédox membranaires a également été considérée dans ces couches minces inorganiques pour favoriser la stabilité de la réponse électrocatalytique. Les protéines considérées impliquent des mécanismes de transfert électronique différents, soit direct pour le cytochrome P450 (CYP1A2), soit médié pour la mandélate déshydrogénase. Finalement, l'influence de l'encapsulation dans une matrice sol-gel hybride sur l'infectivité du bactériophage [phi]X174 a été étudiée, montrant l'effet protecteur de la polyéthylènenimine ou du glycérol

The work reported in this thesis has been developed at the interface between three disciplines, i.e., electrochemistry, material science and microbiology. The purpose of this research was first to study the activity of bacteria immobilized in silica-based films prepared by the sol-gel process on electrode surfaces. Potential applications concern biosensors, bioreactors and biofuel cells. Electrochemically assisted bacterial encapsulation has been developed, using sol electrolysis to immobilize Escherichia coli in a hybrid sol-gel layer. The combination of silica precursors, chitosan, poly(ethylene glycol) and trehalose allowed preservation of cell membrane integrity and metabolic activity. Electrochemistry was then considered as an analytical method. Shewanella putrefaciens and Pseudomonas fluorescens have been encapsulated in silica-based films and the electron transfer reactions from bacteria to different redox mediators have been monitored. Single-walled carbon nanotubes functionalized with ferrocene moieties and bovine heart cytochrome c have been considered as redox shuttles to facilitate the electron transfer in the non-conducting silica matrix, leading to the elaboration of artificial biofilms. Interestingly, these two classes of mediator, i.e. chemical and biological, led to different substrate sensitivity because of their different mechanism of interaction with the bacteria. Immobilization of membrane associated redox proteins in sol-gel films have been then considered and applied for electrocatalysis. Direct and mediated electrochemical communication has been investigated between the electrode surface and cytochrome P450 (CYP1A2) or mandelate dehydrogenase, respectively, showing the interest of sol-gel to stabilize the bioelectrocatalytic reaction. Finally, the influence of encapsulation in a hybrid sol-gel matrix on the infectivity of bacteriophage [phi]X174 has been studied and the protective effect of polyethyleneimine or glycerol was shown