SYNTHESE DIRECTE DE GLYCOAMPHIPHILES COMME COUCHES ACTIVES D'UN BIOCAPTEUR A CRISTAUX LIQUIDES – SWEET-DISPLAY

Le projet SWEET-DISPLAY s’appuie sur une approche multi-étapes pour développer une nouvelle technologie de détection de microbes basée sur des matériaux innovants appelés cristaux liquides. Ces matériaux ont la capacité de réagir visuellement à la présence de certaines molécules, ce qui permettrait, à terme, de créer des tests de dépistage rapides, simples et efficaces.

La première étape (WP1) consiste à fabriquer de nouvelles molécules appelées glycoamphiphiles (GAs). Ce sont des molécules hybrides, qui possèdent une partie « sucrée » (la tête) capable de se lier à certaines protéines présentes sur des microbes (les lectines), et une partie « grasse » (la queue) qui leur permet de se fixer à la surface des cristaux liquides. Deux méthodes complémentaires sont explorées pour créer ces GAs à partir de sucres naturels facilement disponibles, sans étapes de protection chimique complexes. Ces méthodes utilisent des réactions chimiques spécifiques développées dans le laboratoire du Dr. Sami Halila, et permettent d’obtenir une grande variété de GAs aux propriétés différentes, en modifiant la forme ou la longueur de leur partie hydrophobe (grasse).

La deuxième étape (WP2) consiste à tester ces GAs dans des dispositifs utilisant des cristaux liquides. Deux types de capteurs sont en cours de développement. Le premier repose sur des cristaux liquides dits « nématiques », déjà bien connus dans les écrans. Ces cristaux changent leur apparence sous un microscope lorsqu’ils détectent une interaction entre un GA et une lectine microbienne. L’objectif est de vérifier si les GAs s’organisent bien à la surface du cristal liquide et s’ils réagissent de manière spécifique à certaines lectines, comme celles produites par la bactérie Pseudomonas aeruginosa. On mesurera ensuite la sensibilité, la précision et la stabilité du signal obtenu.

Dans un second temps, un capteur de deuxième génération est développé. Celui-ci utilise un autre type de cristaux liquides, dits cholestériques, qui peuvent changer de couleur lorsqu’ils détectent une interaction avec un microbe. Ce système, inspiré des couleurs que l’on observe dans certains insectes ou coquillages, permettrait une lecture visuelle encore plus simple, sans microscope, en détectant des changements de couleur visibles à l’œil nu ou mesurables par un petit appareil optique.

Enfin, dans la troisième étape (WP3), les lectines microbiennes à détecter sont produites en laboratoire. Quatre lectines sont étudiées, provenant de microbes pathogènes humains (P. aeruginosa, B. ambifaria) ou végétaux (R. solanacearum). On mesure ensuite la capacité des GAs à se lier à ces lectines en solution, afin de mieux comprendre leur efficacité avant de les tester dans les biocapteurs.

En combinant chimie, biotechnologie et science des matériaux, SWEET-DISPLAY ouvre la voie à des capteurs intelligents pour la détection rapide de microbes, utilisables dans les hôpitaux, l’agriculture ou même à domicile.

Le projet ANR SWEET-DISPLAY avait pour objectif de développer de nouvelles molécules et des biocapteurs capables de détecter des protéines d'adhésion appelées lectines, produites par certaines bactéries pathogènes comme Pseudomonas aeruginosa. Ces recherches visent à ouvrir la voie à de nouvelles stratégies de détection rapide dans le domaine de la santé.

Les chercheurs ont mis au point une méthode innovante et rapide pour fabriquer des molécules hybrides, mêlant une partie « sucre » et une partie « grasse » (appelées glycoamphiphiles). Ces molécules ont la particularité de s’auto-assembler spontanément dans l’eau pour former des nanoparticules.

L’étude a montré que la forme et la stabilité de ces nano-objets dépendent fortement de la manière dont les molécules sont construites. Ces structures sont suffisamment robustes pour résister à différents environnements (pH, température), ce qui les rend intéressantes pour des applications comme les biocapteurs.

Un article scientifique a été publié en 2024 dans Bioconjugate Chemistry sur ces résultats.

La deuxième étape a consisté à créer un biocapteur basé sur des cristaux liquides, comparables à ceux utilisés dans les écrans télé. Le principe est ingénieux : quand les cristaux liquides sont bien alignés, l’image est sombre ; mais si une lectine se fixe sur les sucres placés à l’interface, l’organisation des cristaux est perturbée et une lumière "colorée" apparaît.

Les chercheurs ont ainsi réussi à mettre au point un premier prototype capable de détecter spécifiquement la lectine LecA, produite par P. aeruginosa, à de très faibles concentrations. C’est une preuve de concept encourageante, même si le dispositif reste encore à optimiser. La conception d’un biocapteur de « deuxième génération » n’a en revanche pas pu être menée à bien dans le temps du projet.

Parallèlement, l’équipe a produit et purifié quatre lectines provenant de bactéries pathogènes. Des analyses de type ITC (isothermal titration calorimetry) ont montré que les glycoamphiphiles et leurs nano-assemblages interagissaient bien avec ces protéines, avec une affinité mesurable dans la gamme micromolaire. Ces résultats confirment la pertinence des nouvelles molécules comme éléments de détection.

Bilan du projet:

En résumé, SWEET-DISPLAY a permis de i) développer une nouvelle famille de molécules hybrides sucre-lipide, capables de s’organiser en nanostructures stables ; ii) démontrer leur interaction spécifique avec des lectines bactériennes ; iii) créer un premier prototype de biocapteur utilisant les cristaux liquides pour détecter ces interactions.

Même si tous les objectifs n’ont pas pu être atteints, le projet a ouvert des perspectives prometteuses pour la détection simple et rapide de marqueurs bactériens. Ces travaux pourraient, à terme, contribuer au développement d’outils innovants pour le diagnostic médical.

Le projet SWEET-DISPLAY a permis de développer de nouvelles molécules hybrides (les glycoamphiphiles) et un premier prototype de biocapteur. Ces résultats ouvrent de nombreuses pistes, à la fois pour la recherche fondamentale et pour des applications concrètes en santé, en biotechnologie ou même en cosmétique.

1. Améliorer et diversifier les nouvelles molécules

La méthode mise au point permet de fabriquer facilement des glycoamphiphiles en combinant différentes parties « sucre » et « grasse ». L’étape suivante consiste à élargir cette bibliothèque de molécules, par exemple en utilisant différents sucres (galactose, mannose, fucose…) afin de cibler d’autres protéines d’intérêt, notamment des lectines produites par des bactéries pathogènes.

Ces nouvelles combinaisons pourraient aussi être explorées dans d’autres domaines : par exemple, comme nanovecteurs capables de transporter et délivrer un médicament de manière ciblée.

2. Vers des biocapteurs plus performants

Le biocapteur de première génération a montré qu’il était possible de détecter spécifiquement une lectine de Pseudomonas aeruginosa. Mais pour en faire un outil fiable, plusieurs étapes sont nécessaires : améliorer sa sensibilité, mieux définir son seuil de détection, et optimiser sa stabilité dans le temps.

Les chercheurs souhaitent aussi reprendre le développement d’un biocapteur de seconde génération, avec des cristaux liquides plus sophistiqués ou des supports hybrides (comme des films polymères). À plus long terme, l’intégration de ces systèmes dans des dispositifs miniaturisés de type microfluidique permettrait d’imaginer des tests rapides et automatisés.

3. Comprendre en profondeur les interactions moléculaires

Les premiers résultats ont confirmé que les glycoamphiphiles interagissent spécifiquement avec certaines lectines bactériennes. Les prochaines étapes viseront à mieux comprendre ces interactions au niveau atomique, grâce à des techniques comme la RMN, la cristallographie ou la modélisation informatique.

Il sera aussi intéressant d’élargir le panel de protéines testées et d’examiner le comportement des molécules dans des environnements biologiques plus complexes, plus proches du réel. À terme, ces recherches pourraient ouvrir la voie à des systèmes capables de bloquer ou piéger directement les bactéries, une approche dite « antiadhésive ».

4. Applications industrielles et valorisation

Les avancées de SWEET-DISPLAY ne se limitent pas au domaine académique. Elles pourraient trouver des applications :

i) dans le diagnostic médical, avec des biocapteurs portables et rapides ;

ii) en pharmacie, pour cribler des protéines et tester de nouvelles stratégies thérapeutiques ;

iii) en cosmétique, comme agents stabilisants ou composants de formulations innovantes.

Enfin, les méthodes développées pourraient donner lieu à des brevets, ouvrant la porte à des partenariats avec des industriels et à une valorisation concrète de la recherche.

Les glycoconjugués, définis comme des glucides attachés à un lipide ou à une protéine, sont omniprésents dans la Nature. Ils sont présents à la surface des membranes cellulaires formant le Glycocalyx. Ils jouent des rôles critiques dans de nombreux processus biologiques et pathologiques tels que la signalisation, la reconnaissance, l'adhésion bactérienne, etc. Par conséquent, les principaux intérêts scientifiques et biotechnologiques pour l'accès aux glycoconjugués découlent de la promesse de les utiliser comme sondes pour la recherche biologique, ainsi que comme base pour le développement de médicaments, de vaccins et d'outils de diagnostic. Ces efforts sont toutefois compliqués par l'absence de méthodes générales pour la préparation directe de ces dérivés et constitue un défi scientifique majeur pour les glycochimistes du monde entier.

Le projet transdisciplinaire SWEET-DISPLAY vise à développer une nouvelle plateforme chimique modulaire basée sur l'acide barbiturique, permettant un accès direct à une large gamme de glyco-amphiphiles (GAs) ou d'analogues de glycolipides, par condensation de Knoevenagel sur des glucides non protégés. Ces GAs serviront de couches actives de reconnaissance de lectines, issus de micro-organismes pathogènes, dans des biocapteurs à cristaux liquides (LCs). En effet, les bicapteurs à LCs, initiés par le groupe du Prof. N.L. Abbott, permettent une détection simple, à haute sensibilité et sans marquage, les rendant bien adaptés au test de dépistage primaire d'analytes effectué hors des laboratoires centraux. Les biocapteurs LC ont déjà été conçus avec de nombreuses espèces amphiphiles (comme des tensioactifs et des lipides) pour détecter un grand nombre d'analytes biologiques (les protéines, les acides nucléiques, les virus, les endotoxines, des cellules, etc.), mais ils n'ont jamais été mis à profit pour sonder les interactions glucides/lectines de pathogènes (une protéine liant les glucides), mettant ainsi en évidence l'application innovante de ce projet exploratoire de recherche collaborative publique (PRC). Les lectines telles que LecA (galactophile) et LecB (fucophile) de Pseudomonas aeruginosa, une bactérie qui est devenue une véritable préoccupation dans les infections nosocomiales, seront d'abord abordées. D'autres cibles biologiques d'intérêt sont RSL (fucophile) de l'agent pathogène des plantes, Ralstonia solanacearum, qui entraîne le flétrissement mortel de nombreuses cultures agricoles ou son homologue BambL de l'agent pathogène humain, Burkholderia ambifaria, qui a été identifié dans des isolats cliniques de patients atteints de mucoviscidose.

SWEET-DISPLAY est un PRC exploratoire (TRL 1-3) fondé sur l'unification des connaissances croisées et de l'expertise complémentaire de deux laboratoires de renommée internationale, réunis pour la première fois dans le cadre d'un PRC : le CERMAV, dans le domaine des glycosciences, et le SyMMES, dans celui des cristaux liquides fonctionnels. Sur la base de résultats préliminaires, sa principale nouveauté réside sur l'accès à une large gamme de GAs caractérisés par des queues hydrophobes qui pénètreront dans la phase hydrophobe des CLs, tandis que les têtes hydrophiles glucidiques seront exposées dans la phase aqueuse pour interagir avec les lectines. Ces lectines causeront des perturbations locales au niveau de l'interface et qui se propageront dans l'épaisseur des CLs nématiques, fournissant une simple lecture optique par des images de microscopie (POM). Une seconde génération, encore plus attrayante et facile à mettre en œuvre, permettant un test d'indication de couleur (avec les LCs cholestériques (LCs nématiques chiraux) sera proposée et repose sur la sensibilité des réflexions de Bragg (induites par l'autoassemblage hélicoïdal des LCs cholestériques) à la température et à la concentration de pathogènes lorsqu'elles sont détectées par un spectrophotomètre UV-Vis-NIR à fibre optique.