Origamis d'ADN redox et enzymatiques à bioélectrocatalyse exaltée – RENZORIGA

Ce projet consiste à concevoir et à produire des nanostructures à ADN (des origamis), dotées de propriétés redox et enzymatiques couplées. Ce nouveau type de nano-bio-électrocatalyseur pourra être utilisé à terme pour la nano-structuration des surfaces d’électrode utilisées pour la réalisation de biocapteurs ou de cellules à biocombustible, en vue d’accroitre leur sensibilité ou leur rendement.
Nous chercherons en premier lieu à définir des règles de conceptions de ces nouveaux nano-objets fonctionnels, assurant à la fois leur adressage électrochimique effectifs une fois déposés sur des électrodes, tout en préservant l’activité des enzymes qu’ils portent. Nous basant sur des résultats préliminaires obtenus avec le Partenaire 2 du projet, un des rares spécialistes de la nanotechnologie à origamis d'ADN en France, nous considérerons un premier design d’origami de géométrie torique, décoré le long de sa circonférence interne par de nombreuses copies d’une enzyme redox (glucose oxydase, GOx, ou Horse Radish peroxidase, HRP) ainsi que de son co-substrat (ferrocene ou bleu de methylène). Ces co-substrats (médiateurs) seront portés par des chaines ADN suffisamment flexibles et longues pour les amener alternativement au contact de l’électrode et du site actif des enzymes, véhiculant ainsi les électrons nécessaires à la catalyse.
Cette tache de conception, s’appuiera sur le logiciel de dynamique moléculaire QBIOL, mis au point par le Partenaire 3 du projet pour la modélisation du comportement dynamique des brins d’ADN ancrés sur des surfaces. Il s’agira de faire évoluer QBIOL, pour qu’il prenne en compte l’origami comme support d’ancrage et simule le mouvement des médiateurs redox, mais aussi les échanges d’électrons entre eux, avec l’électrode et l’enzyme. La longueur, l’état d’hybridation des brins portant les médiateurs ainsi que leur position d’ancrage dans l’édifice seront explicitement implémentés. A terme la structure 3D de l’enzyme sera également elle-même prise en compte, afin de définir la position spatiale de son site actif. Les simulations nous permettront ainsi de déterminer les positions relatives des médiateurs vis-à-vis des enzymes et de la surface de l’électrode conduisant au fonctionnement catalytique optimal. Ce projet fera de la version aboutie de QBIOL l’outil jusqu’alors manquant pour la conception et l’optimisation des systèmes électrocatalytiques intégrés sur origami d’ADN.
Les performances expérimentales des origami électrocatalytiques produits par le Partenaire 2 seront mesurées par le Partenaire 1, spécialiste de l’électrocatalyse enzymatique et des bio-nano-objets redox. La voltammétrie cyclique (CV) permettra de quantifier l’adressage électrochimique des origamis fonctionnels par l’électrode ainsi que leur performance catalytique. Nous chercherons à d’optimiser le fonctionnement de ces systèmes, en faisant évoluer leur design, mais également à révéler le mécanisme de l’exaltation catalytique attendue des systèmes échafaudés sur origamis.
Ce projet sera également l’occasion de relever le défi de l’interrogation fonctionnelle d’origamis électroenzymatique, non plus à l’échelle d’ensemble comme en CV, mais à celui de l’origami individuel. Cette prouesse sera rendue possible par l’usage de la microscopie électrochimique à force atomique à médiateur lié (Mt/AFM-SECM) dont le Partenaire 1 est l’inventeur.
Enfin, l’assemblage d’une cascade enzymatique GOX/HRP à l’intérieur d’une version ultime et « creuse » de l’origami, permettra également d’étudier le processus d’exaltation de la catalyse par échange (« canalisation ») des métabolites entre les enzymes, un phénomène jusqu’ici resté élusif. Dans ce but, nous doterons l’origami creux d’un mécanisme d’ouverture et de fermeture dynamique, basé sur l’hybridation/ le déplacement de brins charnières, qui permettra de moduler le confinement des enzymes et donc, à priori, l’importance du phénomène de canalisation, aidant à sa mise en évidence.