Soutenance mémoire
Le contexte socio-économique
Le monde de la recherche, fortement impacté par le contexte socio-économique, a vu le nombre de publications scientifiques combinant les mots ‘‘environnement’’ et ‘‘économie’’ passer de moins de 10 en 1990, à plus de 6000 en 2009. 50% des publications en question ont été écrites durant les 5 dernières années . Cela reflète simplement que l’impact environnemental est un des enjeux économiques grandissants de notre société. Ainsi, la plupart des secteurs industriels sont obligés de surveiller les conséquences sur l’environnement du cycle de leurs produits (des matières premières jusqu’à la destruction) afin de s’inscrire dans le cadre d’un développement dit ‘‘durable’’. De même que leur mode de production, la destination finale des produits est désormais une donnée valorisable pour les entreprises qui n’hésitent pas à vanter la recyclabilité de leurs produits ou le respect environnemental de leur dégradation [1].
Les matériaux biodégradables
Dans ce contexte, les matériaux biodégradables gagnent en part de marché [2, 3]. D’après la législation en vigueur, un matériau dégradable est « une substance qui peut, sous l’action d’organismes vivants, se décomposer en éléments divers dépourvus d’effets dommageables sur le milieu naturel » [4]. Ces matériaux se classent en deux catégories : ceux issus de matières biologiques ou des polymères synthétiques [5-9]. Le principe scientifique sur lequel s’appuie la biodégradation est la déstructuration des chaînes carbonées composant les polymères en éléments plus petits assimilables par des organismes tels que les bactéries. Cette déstructuration doit pouvoir être initiée par des éléments présents dans la nature comme les UVs (photodégradation), l’humidité (matériaux hydrosolubles), la chaleur, l’oxygène, ou une combinaison de plusieurs de ces facteurs. Par exemple, les matériaux oxobiodégradables se dégradent avec la présence combinée d’oxygène, d’UV et de chaleur.
Cependant, biodégradable ne signifie pas écologique. En effet, les matières premières de ces matériaux peuvent provenir d’éléments biologiques issus de l’agriculture intensive, ou même de produits dérivés du pétrole. Les procédés de fabrication ou de dégradation de ces matériaux peuvent conduire à des métabolites toxiques ou des rejets de gaz à effet de serre comme le méthane [10, 11]. L’industrie des matériaux biodégradables est donc en plein essor, et a encore des défis à surmonter. De plus, les domaines d’application sont encore peu nombreux (emballages et sacs jetables). C’est donc un domaine qui demande de l’investissement en termes de recherche afin de trouver de nouveaux matériaux, les procédés de fabrication associés, ainsi que de nouvelles applications.
Les matériaux résorbables
La définition des biomatériaux la plus largement retenue est celle donnée par Williams en 1987 : « Biomaterials are those materials which are used in medical, dental, veterinary or pharmaceutical applications and which come into intimate and sustained contact with tissues of the body, generally (although not exclusively) being implanted within these tissues » [12]. Le préfixe ‘‘bio’’ fait ici référence à la notion de biocompatibilité (définie plus tard comme la capacité d’un matériau à accomplir un rôle spécifique avec une réponse appropriée de l’hôte) et non de biodégradabilité. Mais ces deux termes peuvent se retrouver dans le cadre des matériaux résorbables comme il en existe déjà pour le matériel chirurgical [9, 13 15]. Le matériau résorbable le plus connu est le fil de suture qui est composé d’acide polyglycolique (PGA), mais il existe également la gélatine hémostatique (pansement fait de collagène) ou les membranes de collagène pour la reconstruction osseuse dentaire . D’autres types de matériaux comme les coraux ont été utilisés comme support à la reconstruction osseuse. Il existe également des implants mammaires à durée limitée faits d’acide hyaluronique. L’apparition des stents résorbables (maillage semi-rigide servant à maintenir un vaisseau ouvert), et des implants de renforcement pariétal semi-résorbables (paroi synthétique pour soigner les hernies) laisse à penser qu’il y a encore de nombreux objets à développer dans le domaine pour améliorer la récupération et le suivi post opératoire [16].
Les protéines et leurs applications
Le travail de recherche présenté dans cette thèse s’inscrit dans une thématique de recherche grandissante qui consiste à utiliser des protéines dans des dispositifs technologiques. En plus d’être biodégradables, celles-ci peuvent être biocompatibles . A l’heure où la miniaturisation atteint l’échelle du nanomètre, ces molécules présentent des niveaux de complexité et de fonctionnalité inégalés, qui ont été sélectionnés par des milliers d’années d’évolution [18-20]. De nombreux travaux existants consistent donc à combiner ces propriétés uniques avec des dispositifs technologiques plus classiques qui sont généralement basés sur les procédés de la microélectronique [21, 22]. Ce domaine sort donc du simple cadre des matériaux dégradables et des biomatériaux. Cependant, ce type de recherche en est à ses débuts et est en plein essor. Il est donc fort probable que des découvertes futures permettront de s’émanciper de la partie ‘‘technologie standard’’, et ainsi de revenir vers des applications biodégradables et/ou biomatériaux. Ce travail de thèse permettra peut-être d’apporter un élément à cette évolution.
Description générale
Les protéines sont des polymères d’acides aminés, ou plus précisément d’acides α-aminés. Ceux-ci sont organisés autour d’un atome central de carbone (nommé Cα) portant : une fonction amine, un groupement acide carboxylique et une chaîne latérale variable selon l’acide aminé et faisant la particularité de celui-ci . Le groupement carboxyle d’un acide aminé peut former une liaison covalente avec la fonction amine d’un autre acide aminé. Les réactions peuvent ainsi s’enchaîner jusqu’à former un polymère d’acides aminés nommé peptide ou polypeptide.
Ces peptides sont définis par la séquence d’acides aminés. Aussi appelée structure primaire, cette chaîne va interagir sur elle-même localement pour former des structures secondaires (feuillets β, hélices α, turn [23]). Ces interactions locales sont des liaisons hydrogènes entre différentes fonctions acides et amines. Ensuite, les chaînes latérales des différentes structures secondaires vont interagir les unes avec les autres (interactions électrostatiques ou Van der Walls) pour former la structure tertiaire de la protéine. Certaines protéines ont encore besoin d’interagir ensemble à un niveau supplémentaire pour être fonctionnelles. On parle alors de structure quaternaire .
Les mécanismes d’interactions qui gouvernent la structure des protéines sont complexes et leur étude est un domaine de recherche appelé ‘‘repliement des protéines’’. Il s’agit d’un phénomène auto-assemblé aboutissant à une structure à trois dimensions. C’est cet arrangement tridimensionnel qui va généralement gouverner les interactions possibles avec les autres entités chimiques (protéines, molécules, atomes) et être à l’origine des mécanismes présents dans le monde vivant [24]. L’étude des protéines se fait généralement dans un but de compréhension de ces interactions. Cela permet notamment de comprendre les éventuels dérèglements à l’origine de pathologies et ainsi d’identifier d’éventuels traitements.
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Table des matières
Introduction générale
1 Le contexte
1.1 Le contexte socio-économique
1.2 Les matériaux biodégradables
1.3 Les matériaux résorbables
2 Les protéines et leurs applications
2.1 Description générale
2.2 Les différentes fonctions exploitables
2.2.1 Les interactions biochimiques
2.2.2 Les moteurs moléculaires
2.2.3 Les protéines en tant que structure
2.2.4 Les protéines non-naturelles
3 Ce que l’on désire faire
3.1 Le constat
3.2 Le projet
3.3 Les choix
4 Les fibres amyloïdes
4.1 Leur histoire
4.2 Des éléments de structure
4.2.1 La morphologie par microscopie électronique
4.2.2 La spectroscopie infrarouge
4.2.3 La diffraction aux rayons X
4.2.4 Les structures résolues
4.3 La stabilité et les propriétés mécaniques
4.4 Les applications
4.4.1 Un support pour l’immobilisation d’enzymes
4.4.2 La croissance cellulaire
4.4.3 Un support pour une étude de repliement
4.4.4 Une liaison streptavidine/biotine
4.4.5 Les nanofils conducteurs
4.5 La protéine het-s
4.5.1 La fonction naturelle
4.5.2 L’étude du domaine het-s 218-289
4.5.3 La structure de het-s 218-289
5 Le transfert d’électrons
5.1 Les phénomènes électriques en biologie
5.1.1 La conduction intrinsèque des protéines
5.1.2 Les neurones
5.1.3 Les nanofils bactériens exogènes
5.1.4 Les transferts redox
5.2 Les échanges redox dans les protéines
5.2.1 La physico-chimie des réactions redox
5.2.2 Les transferts redox dans les protéines
5.2.3 Le rôle des résidus aromatiques
5.2.4 Les protéines redox pour des applications
5.3 La classification des protéines redox
5.3.1 Les flavoprotéines
5.3.2 Les cytochromes : protéines hémiques
5.3.3 Les protéines non-hémiques
Conclusion générale
