Soutenance mémoire
L’ADN et la nanostructuration de surface
Auto-assemblage supramoléculaire à base d’ADN
L’auto-assemblage est défini comme étant le processus d’assemblage de sous-éléments désordonnés en une structure ordonnée sans intervention extérieure (humaine ou machinale). Ce phénomène se retrouve dans la nature à différentes échelles comme : La formation des régimes climatiques ou encore la réplication cellulaire. Dans le dernier cas nous parlerons d’auto-assemblage supramoléculaire [1] . L’auto-assemblage supramoléculaire est basé sur l’auto organisation de sous-unités moléculaires formant des structures hiérarchiques à grande échelle. Ce mécanisme est rendu possible grâce à la présence de différentes interactions moléculaires tels que : les liaisons ioniques, les liaisons hydrophobes, les liaisons de Van der Waals, les liaisons hydrogène (liaison H) ou encore les liaisons de coordinations [2]. Par exemple, l’actine, et plus précisément l’actine globulaire (actine G), une protéine présente dans le cytosquelette des cellules eucaryotes peut, par polymérisation, former des microfilaments unidimensionnel (1D) nommés actines filamentaires (actine F) . Ces derniers participent à certains mécanismes biologiques tels que l’organisation et la mobilité cellulaire durant la division des cellules ou encore la contraction des muscles [3,4]. Cette polymérisation est amorcée par une phase de nucléation, suivi d’une phase d’élongation puis d’un état stationnaire. L’actine G étant polaire, le mécanisme de polymérisation met en jeu des interactions faibles de Van der Waals .
Des suprastructures plus complexes bidimensionnelles (2D) ou tridimensionnelles (3D) peuvent aussi être observées. C’est notamment le cas des capsides de virus (Figure I-1-B). Ces dernières sont des ensembles de protéines auto-assemblés par nucléation sous forme de cristaux symétriques [6–8]. Ses suprastructures possèdent de très bonnes propriétés de symétrie, d’uniformité de taille, d’uniformité de forme et de chimie de surface [8]. Un fort intérêt s’est donc porté sur leur utilisation afin de créer des matériaux avec des propriétés physico chimiques uniques. Nous pouvons en effet citer le cas des microtubules. Ces derniers sont des assemblages de dimères appelés tubulines, eux-mêmes constitués de deux sous-unités : la tubuline α et la tubuline β. Leur assemblage est assurée par des liaisons non-covalentes. Les microtubules sont des structures dynamiques pouvant se polymériser et se dépolymériser en continu. L’étude des propriétés d’auto-réparation des microtubules a été réalisée par Tricilin Schaedel et al. [9]. Il a été question d’y exercer des contraintes mécaniques et d’ajouter au système réactionnel des dimères de tubulines. Cela a permis d’observer l’insertion de dimères additionnels dans la structure des microtubules leur permettant de recouvrer leur structure sans défaut à la suite de l’application d’une contrainte mécanique. Il a aussi été possible d’observer des échanges spontanés entre la tubuline libre et celle de structures non soumises à des contraintes mécaniques.
D’autres types de suprastructures synthétiques symétriques ont pu être conçues et étudiées tels que des nanoparticules, des nanorings et des cages polyédriques imitant la structure des capsides de virus. Ces structures se trouvent être des candidates de choix pour la délivrance de traitements thérapeutiques. En effet, nous pouvons prendre l’exemple de nanorings (Figure I-2-A) possédant des antigènes sur une de leurs faces et qui sont très sensibles aux anticorps.
D’un point de vue macroscopique, des domaines tels que l’architecture se sont inspirés des processus d’auto-assemblage afin de créer des assemblages et des constructions innovantes. Un projet d’envergure nommé « The Self-Assembly Line» a été présenté à la conférence TED de 2012 par Skyllar Tibbits et Arthur Olson [13]. Ce projet consistait en la réalisation d’une ligne d’auto-assemblage grandeur nature imitant un module d’auto-assemblage de virus. Le principe de cette ligne est de permettre l’auto-assemblage progressif de sous-unités préalablement conçues afin de permettre leur interaction et la formation d’une structure hiérarchique macroscopique. Cette prouesse technologique biomimétique se trouve être très prometteuse quant à l’auto-assemblage de structures architecturales à grande échelle telles que des objets ou encore des bâtiments.
Evolution des nanotechnologies de l’ADN
Avancée dans le domaine des nanotechnologies de l’ADN
Qu’est-ce que l’ADN ?
L’acide désoxyribonucléique est un polymère composé de différents nucléotides composés d’une base, d’un sucre et d’un groupe phosphate. Rosalind Franklin a, par l’utilisation de la diffraction des rayons X [14], posé les fondations de la découverte de la structure en double hélice de l’ADN par James Watson et Francis Crick [15]. Leurs travaux ont permis de mettre en évidence la structure en double hélice de l’ADN. Cette structure en double hélice est permise par l’appariement de base dit de Watson-Crick. Ce dernier est basé sur les propriétés de complémentarités entre les bases de la molécule d’ADN : L’Adénine (A) qui peut réaliser deux liaisons hydrogène avec la Thymine (T) et la Guanine (G) qui peut réaliser trois liaisons hydrogène (liaisons H) avec la Cytosine (C). Les trois formes principales de l’ADN sont : l’ADN-B, l’ADN-Z et l’ADN-A. L’ADN-B est la conformation qui se retrouve le plus dans la nature et c’est celle-ci qui nous intéressera dans cette thèse. En solution, cette structure possède un pas de 3,4 nm, 10,5 paires de bases par tour d’hélice et 2 nm de diamètre. Elle possède aussi deux sillons appelés sillons mineurs et sillons majeurs dus au décalage présent entre les brins. La stabilisation de la structure en double hélice de l’ADN est permise par une association entre différents types d’interactions. En effet, outre l’appariement de bases, il existe un autre type d’interaction : l’empilement de base. Ce dernier est basé sur les interactions attractives et non-covalentes π-π entre les cycles aromatiques présents au sein de la double hélice d’ADN. L’énergie de liaison de l’appariement est considérée comme forte. En effet, sa valeur est comprise entre 10 kcal/mol et 20 kcal/mol alors que celle de l’empilement de base est d’environ 8,6 kcal/mol pour un triple empilement .
Les molécules d’ADN sont considérées comme des polymères rigides en raison des empilements π-π de leurs cycles aromatiques et des répulsions électrostatiques ayant lieu le long de leur squelette sucre-phosphate. Cependant, l’ADN double brin est plus rigide que l’ADN simple brin. L’ADN double brin possède une longueur de persistance de 50 nm (correspondant à 160 nucléotides) alors que celle de l’ADN simple brin est comprise entre 1 nm et 2 nm .
La dénaturation de l’ADN est un processus consistant en la séparation des brins d’une double hélice. Elle a lieu via la rupture des liaisons hydrogène présent au sein de la double hélice d’ADN. Ce processus peut se réaliser sous l’effet de différents paramètres :
• Une température élevée,
• Une faible salinité,
• En présence d’une solution acide ou basique.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
LISTE DES ABREVIATIONS
TABLE DES SYMBOLES
CHAPITRE I- ETAT DE L’ART : L’ADN ET LA NANOSTRUCTURATION DE SURFACE
I.1 AUTO-ASSEMBLAGE SUPRAMOLECULAIRE A BASE D’ADN
Introduction
Evolution des nanotechnologies de l’ADN
Applications des origamis d’ADN
I.2 LA MICROELECTRONIQUE ET LA NANOSTRUCTURATION DE SURFACE
Introduction
Les méthodes de lithographie
La gravure
I.3 LES ORIGAMIS D’ADN ET LA NANOSTRUCTURATION DE SURFACE
Le transfert des nanostructures d’ADN dans des substrats par gravure
Les interactions entre les origamis d’ADN et les substrats d’oxyde
I.4 OBJECTIFS DE LA THESE
Contexte
Problématique
CHAPITRE II- AUTO-ASSEMBLAGE SUPRAMOLECULAIRE A BASE D’ORIGAMIS D’ADN
II.1 DESIGN, SYNTHESE, PURIFICATION ET AUTO-ASSEMBLAGE A GRANDE ECHELLE DE DIFFERENTS TYPES D’ORIGAMIS D’ADN
Objectifs
Matériel et méthodes
Auto-assemblage par appariement de base de microfilaments en origamis d’ADN
Auto-assemblage par complémentarité de forme de suprastructures d’ADN
CHAPITRE III- APPLICATION DES ORIGAMIS D’ADN AU MONDE DE LA NANOSTRUCTURATION DE SURFACE
III.1 OBJECTIFS
III.2 MATERIELS ET METHODES
Auto-assemblage assisté par substrat des origamis sur la surface SiO2
Méthodes de caractérisation
Traitement d’images
III.3 AUTO-ASSEMBLAGE ASSISTE PAR SUBSTRAT DES RESEAUX 2D EN ORIGAMIS D’ADN
III.4 CONCLUSION DU CHAPITRE
L’auto-assemblage assisté par substrat en présence de MgCl2
L’auto-assemblage assisté par substrat en présence de MgCl2 et de NaCl
CHAPITRE IV- CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
IV.1 CONCLUSION GENERALE
IV.2 PERSPECTIVES
Design, synthèse et purification des origamis d’ADN
Auto-assemblage assisté par substrat des réseaux 2D en origamis d’ADN
ANNEXES
