Blanc SIMI 8 - Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie

TRANSport IONique au sein de canaux-ioniques biologiques confinés dans des nanopores: approche expérimentale et théorique – TRANSION

TRANSION

L'objectif de notre projet est de confiner des canaux biologiques (IBC) dans les nanopores de supports solides et de réaliser ainsi des systèmes nanomembranaires avec des propriétés exceptionnelles.<br />Pour atteindre cet objectif, nous avons constitué un consortium pluridisciplinaire qui regroupe des compétences en chimie et physique tant du coté expérimental que théorique.

TRANSport IONique au sein de canaux-ioniques biologiques confinés dans des nanopores

les objectifs principaux de ce projet sont: (i) de caractériser le confinement d'IBC dans des matrices nanoporeuses, (ii) d’étudier l'effet de ce confinement sur le transport ionique et (iii) de développer des micro/nanosystèmes avec les propriétés de transport ionique exceptionnel.<br />Les résultats attendus sont: (i) de maîtriser le confinement d'IBC, (ii) de mesurer des courants ioniques dans des systèmes ne contenant qu'un seul (ou très peu) de nanopore et (iii) de mettre au point des modèles théoriques et des méthodes de calcul numérique susceptibles de rendre compte des phénomènes expérimentaux constatés.

Le partenaire 1 développe des microsystèmes composés de micro-réservoirs et de nanotubes de carbone (CNT). Pour cela, il utilise des techniques de croissance orientée de CNT sur substrat Si puis teste différentes méthodologies et matériaux pour la réalisation par photolithographie en salle banche de ces systèmes. La spectroscopie Raman est utilisée pour caractériser les CNT et le patch-clamp pour la mesure des courants ioniques dans les microsystèmes.
Le partenaire P2 utilise des membranes polymériques ou minérales (SiN) qu'il perfore par rayonnements électronique ou ionique afin d'obtenir des nanopores de densité et de forme contrôlée. Les tests de conductivité sont également réalisés à partir de la technique patch-clamp. La présence de IBC confiné dans les pores est vérifiée par spectrométrie de fluorescence.
Le partenaire P3 développe des modèles analytiques fondés sur la résolution des équations de transport et d'électro-transport.
Le partenaire P4 étudie les systèmes nanopore/IBC et les mécanismes de transport ionique à l'aide d'outils numériques fondés sur la dynamique moléculaire et le monte-carlo. Dans la plupart des cas, la puissance des ordinateurs auquel il peut accéder lui permet de travailler en tenant compte de tous les atomes du systèmes.

P1 Le protocole de fabrication des dispositifs a été optimisé afin de supprimer les problèmes initialement rencontrés de fuites et de colmatage des microcanaux. Cependant, comme précédemment indiqué, les dispositifs présentent une conductance trop faible pour être mesurée et au moins plusieurs ordres de grandeur en-dessous des valeurs attendus d’après la littérature.
P2 Plusieurs résultats marquants ont été obtenus au cours de ces 18 derniers mois :
(i) Notre méthode de design des nanopores nous permet de contrôler à façon leur diamètre et leur état de surface. Suite à cette étude l’insertion de la gA a été entreprise. Nos résultats ont permis de prouver qu’en fonction du diamètre du nanopore les ions le traversaient via les monomères de gA. Cette étude a fait l’objet d’une publication avec P4. De plus, l’étude du transport ionique dans les nanopores inférieure à 10 nm fait l’objet d’une publication en cours de rédaction avec P3 et P4.
(ii) La caractérisation du confinement des canaux ioniques simples (gA, Amp B et Nyst) effectuée dans des membranes multipores et l’étude des propriétés de la membrane hybride ont donné des résultats inattendus et très prometteurs. En effet, nous avons mis en évidence que la gA confinée permettait d’obtenir une membrane imperméable au proton et sélective au potassium. Ces études ont fait l’objet de plusieurs publications avec P4, en particulier.
P3 Un article va être soumis très prochainement sur l’étude du transport ionique à travers des nanopores inférieurs à 10 nm en combinant expérience, théorie et simulation en collaboration avec P2 et P4.
P4 Dans un nanopore de grand diamètre, la concentration en gramicidine est de toute première importance pour les propriétés de filtration. Deux régimes ont été ainsi dévoilés. L’optimisation du diamètre des nanopores pouvant accueillir de façon stable la gramicidine a été prédite par simulation et avoisine les 2 nm.

Les derniers travaux ouvrent de nombreuses perspectives de recherche; des nanopores de géométrie plus complexe avec des traitements de surface adaptés seront étudiés. Les modèles théoriques qui semblent bien reproduire certains résultats expérimentaux (évolution de la conductivité des nanopores en fonction de la concentration ionique) vont être affinés et les simulations numériques prolongées afin d’accéder à davantage de données dynamiques.

1. “Enhanced Potassium selectivity in Bioinspired Solid Nanopore membrane” F. Picaud, S. Kraszewski, Ch. Ramseyer, S. Balme, Ph. Déjardin, J.M. Janot & F. Henn , PhysicalChemistry ChemicalPhysics, 2013, 15 (45), 19601 – 19607
2. “Controlling potassium selectivity and proton blocking in a hybrid biological/solid-state polymer nanoporous membrane” Balme, S ; Picaud, F; Kraszewski, S; Dejardin, P; Janot, JM; Lepoitevin, M; Capomanes, J ; Ramseyer, C & Henn, F, Nanoscale 5(2013)3961-3968
3. Abou-Chaaya, A.; Lepoitevin, M.; Cabello-Aguillar, S.; Balme, S.; Bechelany, M.; Kraszewski, S.; Picaud, F.; Cambedouzou, J.; Balanzat, E.; Janot, J. M.; Thami, T.; Miele, P.; Dejardin, P., Enhanced Ionic Transport Mechanism by Gramicidin A Confined Inside Nanopores Tuned by Atomic Layer Deposition. J Phys Chem C 2013, 117 (29), 15306-15315.
4. Thiele, D.; Kraszewski, S.; Balme, S.; Picaud, F.; Janot, J.-M.; Déjardin, P., Structure and ionic selectivity of a hybrid polyene/artificial polymer solid state membrane. Soft Matter 2013, 9, 684-691.
5. Balme, S.; Thiele, D.; Kraszewski, S.; Picaud, F.; Janot, J. M.; Dejardin, P., Ionic selectivity of nystatin A1 confined in nanoporous track-etched polymer membrane. IET Nanobiotechnology 2014, 8 (3), 138 - 142.

Notre projet vise à confiner des canaux ioniques biologiques dans deux types de nanopore solide et à étudier leurs propriétés fonctionnelles en termes de perméabilité et sélectivité ioniques. Autrement dit, notre but est de fabriquer des systèmes nanoporeux hybrides avec des propriétés exceptionnelles de transport ionique en transférant dans des matrices solides des canaux ioniques biologiques. Ce projet est à la croisée de deux thématiques :
(1) Synthèse de nouvelles membranes artificielles pour la nanofiltration
Les développements les plus récents permettent aux membranes d’occuper une place de plus en plus importante dans de nombreuses applications liés à l’industrie alimentaire, le traitement des eaux usées et désalinisation des eaux, aux biotechnologies..etc.
Parmi les nouvelles technologies mises en place, la nanofiltration en phase liquide apparait être l’une des plus prometteuses.
Dans ce domaine, l’une des principales difficultés est d’obtenir des membranes qui présentent à la fois des propriétés élevées de perméabilité et de sélectivité ioniques, propriétés qui sont, du moins dans les systèmes artificiels existants, antagonistes. De nouveaux types de membranes pour la nanofiltration sont encore donc à inventer.
(2) Canaux ioniques biologiques
Les canaux ioniques biologiques (IBC) assurent, au travers de la membrane cytoplasmique, les échanges ioniques des cellules vivantes. Leurs propriétés de transport ionique sont exceptionnelles puisqu’elles combinent perméabilité et sélectivité. Malheureusement, le transfert de ces performances vers des systèmes possédant des propriétés de résistance mécaniques suffisamment élevées pour être utilisables dans de nombreuses applications n’a jamais été ni réalisé ni même proposé si l’on se réfère à la littérature.
Nous proposons, à la rencontre de ces deux thématiques, de construire des systèmes nanoporeux hybrides aux propriétés de transport ionique remarquables en confinant des canaux ioniques biologiques dans des nanopores solides. Ce projet sera plus particulièrement dédié à l’étude, à l’échelle nanométrique, des processus mis en jeu lors du confinement des canaux ioniques considérés et du phénomène de transport ionique.
Les canaux ioniques biologiques considérés seront la gramicidine-A (gA), l’amphotéricine-B (AmB) et la nystatine (NYST). gA est une protéine, AmB et NYST des polyènes. Nous étudierons leur confinement dans deux systèmes nanoporeux solides : (i) des films polymères de 5µm d’épaisseur percés de nanopores cylindriques (CNP) de diamètre égal ou inférieur à 10nm et (ii) une cellule constituée de deux micro-réservoirs connectés par un nanotube de carbone simple paroi (SWCNT) long de plusieurs mm et de diamètre compris entre environ 1 et 3nm.
Afin d’atteindre notre objectif qui revêt des aspects scientifiques et méthodologiques, nous proposons de constituer un consortium de recherche transdisciplinaire à l’interface biologie/physique/chimie et trans-méthodologique qui associe travaux expérimentaux et théoriques.

Coordination du projet

Francois HENN (Laboratoire Charles Coulomb, Université Montpellier 2) – francois.henn@umontpellier.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPT Laboratoire de Physique Théorique, Université Toulouse 3
NIT Nanomedecine, Imagerie et Thérapeutique, Besançon, Université de Franche-Comté
IEM Institut Européen des Membranes, Université Montpellier 2
L2C Laboratoire Charles Coulomb, Université Montpellier 2

Aide de l'ANR 574 996 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2013 - 48 Mois

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