Biomolecules InDuced hosting of nanoparticles for mULtifunctional platform (BIDUL)

Axe application - Nanochimie

Projet de recherche mené du 01/09/16 au 30/04/18.

Laboratoires co-porteurs
Mots Clés

Chimie supramoléculaire, fonctionnalisation de surfaces, nanoscience, systèmes ‘hôte-invité’, nanoparticules, reconnaissance biologique, oligonucléotides, scanning tunneling microscopy (STM), microscopie de champ proche.

Présentation

Le projet BIDUL est un projet multidisciplinaire associant 3 laboratoires de Sorbonne Université : 1) Institut Parisien de Chimie Moléculaire (IPCM), 2) De la Molécule aux Nano-objets : Réactivité, Interactions et Spectroscopies (MONARIS), 3) Laboratoire des BioMolécules (LBM). 

BIDUL est un projet à caractère amont visant à organiser de façon contrôlée des nanoparticules sur une surface par une approche ascendante (‘bottom-up’).  Pour cela, nous proposons de combiner les possibilités offertes par la chimie supramoléculaire sur surface pour nanostructurer un substrat en y positionnant des oligonucléotides et la capacité de reconnaissance de ces derniers pour des nanoparticules fonctionnalisées par l’oligonucléotide complémentaire.

Plus précisément, l’objectif est de fournir à travers une approche ‘hôte-invité’ une nouvelle plateforme multifonctionnelle basée sur des réseaux organiques supramoléculaires bien définis servant d’hôte pour des nanoparticules invitées et organisées par des biomolécules. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle approche originale, combinant (i) auto-assemblage supramoléculaire sur surfaces de type carbone hybridé sp2 (graphite HOPG ou graphène), (ii) chimie inorganique et physique, et (iii) biomolécules (oligonucléotides), a été développée.

Le principe de BIDUL (proposition) est décrit dans le schéma 1.

Schéma 1 : Schéma de principe du projet BIDUL
Schéma 1 : Schéma de principe du projet BIDUL
Résultats

BIDUL a démarré en Septembre 2016 avec le recrutement d’un post-doc (Dr. Romain Brisse) qui a démissionné à la mi-avril 2018, ayant été recruté en CDI par une agence de recherche. Le projet a comporté cinq étapes principales : 

1. Tout d’abord a été validée la synthèse de nanoparticules de platine (Pt) à faible diamètre (2.5 nm) en milieu organique et leur transfert en milieu aqueux, par deux méthodes distinctes. Le post-doctorant recruté a été formé à l’utilisation du TEM afin de valider le succès de toutes les étapes de synthèse, qui ont par ailleurs été corroborées par des analyses IR. Un nouveau partenariat avec l’Institut des Sciences de la Terre (Benoît Caron) a permis le dosage en solution des nanoparticules, de façon précise et rapide, par ICP-AES.

La fonctionnalisation des nanoparticules hydrophiles par un nombre contrôlé d’oligonucléotides est en cours avec la mise à profit des techniques disponibles au MONARIS (TEM, Spectroscopie IR et RAMAN) et au LBM (électrophorèse). Cependant le greffage des oligonucléotides sur les nanoparticules de platine reste encore incomplet. Ceci peut être dû à la nature des groupements fonctionnels utilisés pour le transfert en phase aqueuse ou à la taille des nano-objets.

En parallèle, pour faire la démonstration de la preuve de concept de BIDUL, des nanoparticules d’or (5nm) directement synthétisées en phase aqueuse ont également été fonctionnalisées. (Schéma 2)

Schéma 2 : Schéma d’une nanoparticule d’or fonctionnalisée
Schéma 2 : Schéma d’une nanoparticule d’or fonctionnalisée

II. Dans une seconde étape, ont été développées les briques moléculaires pour la nanostructuration de surface. 

(i)  ‘TSB (C12)’ qui a la capacité de s’auto-assembler sur surface en formant un réseau hexagonal nanoporeux type nid d’abeille.

(ii) synthèse du ligand (schéma 3a) apte à se coordiner à la phthalocyanine de zinc (ZnPc) (schéma 3b).

Schéma 3 : Schéma des briques pour l’auto-assemblage sur surface.
Schéma 3 : Schéma des briques pour l’auto-assemblage sur surface.

III. Dans une troisième étape, a été réalisé l’auto-assemblage supramoléculaire sur surface (graphite HOPG) en vue de la reconnaissance des nanoparticules fonctionnalisées.

La figure 1 est une image obtenue par microscopie à effet tunnel (STM) à l’interface air-solide, montrant la formation du réseau nanoporeux à base de molécules TSB(C12)

Figure 1 : Image obtenue par microscopie à effet tunnel (STM) de l’auto-assemblage de molécules TSB(C12) sur graphite HOPG.
Figure 1 : Image obtenue par microscopie à effet tunnel (STM) de l’auto-assemblage de molécules TSB(C12) sur graphite HOPG.

La figure 2 est une image obtenue par microscopie à effet tunnel (STM) obtenue après ajout dans la matrice hôte (TSB(C12)) du complexe de coordination (ZnPC+ligand).

Figure 2 : Image obtenue par microscopie à effet tunnel (STM) montrant le remplissage des cavités par le complexe de coordination (ZnPC+ligand)
Figure 2 : Image obtenue par microscopie à effet tunnel (STM) montrant le remplissage des cavités par le complexe de coordination (ZnPC+ligand)

La spectroscopies STM ne permettant pas une identification chimique des espèces adsorbées. Des expériences complémentaires par spectroscopie RAMAN couplée à de la modélisation de la signature vibrationnelle des complexes modifiées, permettent d’affirmer qu’il s’agit bien des molécules ZnPC +ligand qui remplissent les cavités. 

IV. L’étape suivante a consisté en la réaction sur surface entre le substrat précédemment modifié et l’oligonucléotide commercial (ii) complémentaire de celui qui est greffé sur les nanoparticules et (ii) fonctionnalisé par un thiol pour réagir suivant le schéma 4a. 

V. La dernière étape a consisté en l’adsorption des nanoparticules fonctionnalisées par l’oligonucléotide complémentaire, suivant le schéma 4b. Des résultats montre le greffage des nanoparticules sur les surfaces, mais il faut encore démontrer la spécificité de l’accroche à partir des oligonucléotides complémentaires.

Schéma 4 : a) Structure de l’élément de reconnaissance sur surface et b) schéma du mode de reconnaissance.
Schéma 4 : a) Structure de l’élément de reconnaissance sur surface et b) schéma du mode de reconnaissance.
Retombées du projet