Nano électronique bio-inspirée par auto-assemblage de protéines – BioNics

La bioélectronique est un domaine de recherche en plein essor, visant à maîtriser l'interfaçage des systèmes biologiques avec des dispositifs électroniques. Les principales applications envisagées sont liées à la médecine (médecine personnalisée) et la surveillance de l’environnement (détection de polluants). Le défi est de convertir les signaux biologiques, principalement liés à la liaison de ligands et à des mouvements d’ions, en un signal électrique utilisable par des dispositifs électroniques conventionnels. L’objectif de BioNics est de démontrer le potentiel des fibres amyloïdes pour la conception et le développement de systèmes bioélectroniques. Ces nanofils de protéines auto-assemblées possèdent de nombreux avantages : 1) En tant que macromolécules biologiques, ils sont potentiellement biocompatibles ; 2) Ils résultent de l'auto-assemblage hiérarchique de protéines en fibres avec un facteur de forme élevé (diamètre: 5 nm & longueur> 10 mm) qui peuvent interagir avec des cibles biologiques ; 3) Ils peuvent être fonctionnalisés de manière rationnelle avec des macromolécules biologiques (autres protéines, ADN, sucres ...), ou des composés organiques, des nanoparticules .... ; 4) Enfin, ils permettent les conductivités ionique, protonique et électronique.

BioNics propose d’étudier le transport de charges électriques sur des longues distances par des fibres amyloïdes de structure atomique connue. Ceci permettra l’interprétation détaillée des résultats et ouvrira des possibilités d'ingénierie. Deux types de fibres seront étudiés: (1) des fibres amyloïdes «nues», dénommées nanofils nus, afin de mieux comprendre la conductivité intrinsèque des fibres amyloïdes et (2) les fibres amyloïdes fonctionnalisées avec un domaine redox, appelées nanofils RedOx, dont la conception est inspirée de l'architecture des filaments conducteurs microbiens. Les nanofils nus seront étudiés dans des conditions sèches (films secs). Les différents régimes de conduction et les différents types de transport de charges (électroniques, ioniques, protoniques ...) seront caractérisés de l’échelle macro (film) jusqu'à l’échelle du nanomètre (nanofils uniques). Pour cela un véhicule-test microélectronique sera spécifiquement développé. Ceci permettra également la première tentative d'intégration de nanofils de protéines dans des dispositifs électroniques, pour la réalisation de transistors à effet de champ à base de nanofils protéiques auto-assemblés par exemple. Les nanofils RedOx visent plus spécifiquement à générer des dispositifs bioélectroniques fonctionnant en solution ; le mécanisme de conductivité dominant est alors par sauts d'électrons entre centres redox. Ceci devrait permettre le développement de transistors électrochimiques sensibles à divers ligands / substrats pour de futurs circuits logiques enzymatiques, des biocapteurs et des biopiles constitués de protéines uniquement.

Ce projet collaboratif (TRL 1-3) nécessite l'association des expertises très différentes de ses 4 partenaires. La conception des nanofils de protéines nécessite une expertise en ingénierie des protéines (LCBM). La caractérisation multi-échelle (macro / méso / micro / nano scopique) des propriétés de transport de charge nécessite une expertise sur les conducteurs organiques (semi-conducteurs) (SyMMES). Les mesures électroniques jusqu'au niveau de nanofils uniques et leur intégration dans des composants électroniques nécessitent une expertise d’intégration technologique ainsi que des équipements et des installations spécifiques, accessibles uniquement dans les centres de micro-nanotechnologie de classe mondiale (Leti). Le développement d'électrodes pour les biocapteurs et les biopiles nécessite une expertise dans la fonctionnalisation d’électrodes et en électrochimie (DCM). Il est important de noter que tous les partenaires sont basés à Grenoble, ce qui facilitera les échanges quotidiens et les interactions nécessaires à un projet aussi ambitieux et multidisciplinaire.