Transport électronique dans l’ADN

La miniaturisation des composants électroniques est un enjeu majeur depuis une cinquantaine d’années dans la fabrication des circuits intégrés. Cette miniaturisation est basée sur la diminution de la taille des composants électroniques de base des circuits intégrés. Une approche différente consiste à fabriquer à partir de molécules des circuits capables d’effectuer des opérations logiques. L’électronique moléculaire a pour objet d’étudier les propriétés électroniques de ces molécules. L’ADN est par sa capacité d’auto organisation un candidat idéal pour la construction d’assemblages moléculaires [Mirkin 2000] [Mirkin 1996] [Alivisatos 1996] [Umeno 1998] [Dekker 2001] [Simmel 2002]. De plus l’empilement des paires de base dans la double hélice favorise le recouvrement des orbitales des bases, et donc le transfert électronique [Dekker 2001]. Cette hypothèse a été proposée par Eley et Spivey [Eley 1962] peu de temps après la découverte de la double hélice par Crick et Watson en 1953 [Watson 1953].

Le dépôt d’ADN sur une surface est une problématique assez ancienne. L’étude au microscope électronique de cette molécule a nécessité la mise au point de techniques de dépôt parfois empiriques. D’autres techniques ont été mises au point depuis mais avec des objectifs différents. On peut diviser ces techniques en deux grandes catégories. La première dont font partie celles utilisées principalement par les microscopistes consiste à déposer l’ADN dans des conditions douces [Dubochet 1971] [Mayor 1968]. L’ADN est proche de sa configuration en solution. La deuxième catégorie est plus contraignante pour la molécule, puisqu’on impose à l’ADN une certaine conformation sur la surface, généralement étiré pour pouvoir se repérer facilement le long de la molécule d’ADN. Cette dernière technique a des applications dans le repérage de séquences sur le brin étiré [Allemand 1998]. Etant donné la complexité de la molécule d’ADN, on doit s’attendre à une forte dépendance des propriétés de conduction avec la technique de dépôt utilisée. C’est l’explication la plus probable de la grande variété de résultats rencontrés dans la littérature. Les mesures actuelles vont de l’isolant à la supraconductivité induite en passant par un comportement semi conducteur. Un article récent [Kasumov 2002] mets clairement en évidence pour la première fois cette dépendance entre la technique de dépôt et les propriétés électroniques de l’ADN. Ils ont les deux comportements : isolant et conducteur suivant la technique utilisée.

Description de la molécule d’ADN 

Structure chimique 

L’ADN est un macromolécules biologiques support de l’information génétique. La particularité de cette molécule est qu’elle a en première approximation toujours la même structure indépendamment de l’information qu’elle contient. On présente dans cette partie la constitution chimique de l’ADN.

L’ADN est un polymère. L’unité de base qui le compose est appelée nucléotide. Ce monomère peut se décomposer en trois sous structure :

Une base : Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine
Le sucre : pentose
Un groupement phosphate : –PO3-

Les paires de base sont au nombre de quatre : Adénine (notée A), Guanine (G), Cytosine (C) et Thymine (T). On distingue les paires de base en deux catégories suivant qu’elles dérivent de la purine (A et G) ou de la pyrimidine (T et C). Ces bases peuvent s’apparier spécifiquement par des liaisons hydrogènes. A s’associe avec T, et G avec C. La figure I.01 montre cet appariement ainsi que la formule chimique des bases. La liaison A-T (deux liaisons hydrogène) est moins forte que la liaison G-C (trois liaisons hydrogène). On notera que les points de fixation des bases (cf. figure I.01) sont excentrés par rapport aux paires de base. Les paires de base forment ainsi un angle entes elles.

On peut assembler les nucléotides pour former un polymère. L’assemblage se fait par l’intermédiaire des ponts phosphates comme indiqué par la figure I.02. Le polymère est orienté. On distingue les extrémités de la chaîne en fonction des carbones du sucre (figure I.02). L’extrémité 3’ correspond au coté qui se termine par le carbone C3’ du sucre. L’autre extrémité sera alors notée 5’. L’ADN est formé par l’assemblage de deux de ces chaînes poly nucléotidiques. Ces chaînes sont antiparallèles (c’est à dire que les deux brins sont orientés en sens opposés). La molécule ressemble schématiquement à une échelle dont les montants sont le squelette phosphate et les barreaux les paires de base. La longueur de l’ADN peut varier de quelques paires de base (quelques nm), à plusieurs millions (de l’ordre du mm). Il n’y a pas de limite a priori à leur assemblage. Par exemple le chromosome de la mouche mesure plus d’un centimètre de long pour 2nm de diamètre. La molécule d’ADN de part les interactions complexes de tous ces constituants va adopter une géométrie particulière.

Structure spatiale

Les paires de base de l’ADN sont plutôt hydrophobes par comparaison aux groupements phosphates. Ces derniers sont chargés et solubilisent la molécule dans son milieu aqueux. La molécule sous l’effet des interactions hydrophobes entre les paires de base va avoir tendance à former une hélice pour avoir un meilleur empilement des paires de base (figure I.02). C’est la forme en double hélice droite (comme un tire-bouchon) proposé par Watson et Crick en 1953 [Watson 1953 ]. Comme on l’a fait remarquer précédemment, les points d’attache des bases au pentose ne sont pas symétriques par rapport à l’axe de la molécule. On a donc dans le plan des paires de base plus d’espace d’un coté que de l’autre (cf. figure I.01 et I.02). Cela donne respectivement le grand et le petit sillon de la molécule d’ADN.

Vu la complexité de cette molécule, on pourrait s’attendre à trouver toute sorte d’arrangements spatiaux. En fait il n’en n’est rien, l’ADN occupe quelques formes bien déterminées. Les écarts que l’on peut observer à ces formes idéales sont assez minimes [Allemand 1998]. Nous décrivons ci-après quelques formes les plus rencontrées. Pour une vue complète on reporte le lecteur à l’article de Leslie [Leslie 1980]. Les formes les plus rencontrées et les plus étudiées sont les formes : A, B et Z. Des études plus récentes ont mis en évidence les formes appelées H, P et S,…

On peut distinguer les formes A, B et Z par trois critères géométriques principaux :

1 : Le sucre peut adopter deux conformations. Un des atomes de carbone du cycle se trouve hors du plan formé par les autres atomes.
2 : Chacun des atomes de la chaîne comprenant le groupement phosphate impose un angle à la liaison avec les atomes voisins.
3 : L’hélice est soit droite (comme un tire bouchon), soit gauche.

L’arrangement spatial des atomes a été déterminé par diffraction X sur des fibres d’ADN. Ce sont les formes les mieux déterminées. On donne sur la figure I.03 la représentation de ces trois forme de l’ADN. Les formes P et S, sont beaucoup moins bien déterminées. On donne une représentation de la forme P obtenue par simulation [Strick 1996]. Cette forme est très contrainte puisque les paires de base sont orientées vers l’extérieur (vers le solvant). De plus, les groupements phosphates des deux chaînes se retrouvent côte à côte et ont tendance à se repousser électrostatiquement (cf. figure I.03). Le pas de l’hélice et son allongement coïncide avec ceux obtenus par des expériences d’étirement de la molécule avec une torsion contrôlée de la molécule [Allemand 1998]. Ces données pourraient coïncider également avec des mesures de diffraction X obtenue récemment sur le génome de virus Pf1 [Liu 1994]. La forme S a été observée au cours d’expérience d’étirement de l’ADN à la limite de la rupture mécanique [Strick 1996] [Clausen Schaumann 2000]. La forme H est localisée sur certaines séquences de l’ADN. Elle correspond à l’ouverture locale de la double hélice. Un simple brin se retourne sur la région encore appariée pour former une triple hélice. L’autre simple brin restant désapparié. On reparlera plus loin de la formation de triple hélice et de structure avec quatre simples brins.

Les caractéristiques géométriques des différentes formes de l’ADN sont données dans le tableau I.01 et décrites ci-après. Les valeurs correspondent à des moyennes. Il est possible qu’il y ait quelques variations en fonction du contenu en paire de base de la molécule. Par exemple, le nombre de paire de base par tour peut varier de 10.0 à 10.7 en forme B. Ou bien une suite de paires de base A-T donne une double hélice plus rigide avec un petit sillon plus étroit dans la forme B. Une propriété remarquable est que l’ADN adopte un nombre restreint de formes. En particulier Strick et al. [Strick 1996] ont montré que la réponse de la molécule à une contrainte extérieure (torsion et étirement,…) provoque la coexistence de différentes formes sur une même molécule plutôt que l’adoption d’une forme intermédiaire (cf. annexe D). Par exemple la forme Z (hélice gauche) peut relaxer une contrainte de torsion qui tendrait à dérouler une molécule initialement en forme B (hélice droite).

Forme A 

Cette forme est schématisée sur la figure I.05. L’hélice est droite. Le sucre adopte une configuration C3’ endo (Le carbone C3’ est hors du plan du cycle du sucre). Cette propriété géométrique déforme le cycle par rapport à la forme B. La forme A est compactée suivant la longueur de 30%. Les bases sont repoussées vers la périphérie de l’ADN augmentant ainsi son diamètre. Les phosphates sont orientés vers le grand sillon le rendant ainsi plus étroit. En revanche le petit sillon est plus large et moins profond. Les paires de base forme un angle de 19° avec l’axe de la molécule. Les phosphates étant moins disponibles pour les molécules d’eau, la forme A de l’ADN est favorisée quand l’humidité du milieu diminue. Par exemple la longueur d’une fibre d’ADN diminue de 30% lorsqu’on la sèche, correspondant au passage de la forme B à la forme A.

Forme B 

Cette forme est schématisée sur la figure I.04. L’hélice est droite. Le sucre adopte une configuration C2’ endo (Le carbone C2’ est hors du plan du cycle du sucre). Cette propriété géométrique détermine la forme B. Les phosphates sont orientés vers l’extérieur. On notera la régularité de l’enchaînement des phosphates et des sucres. Les paires de base sont perpendiculaires à l’axe de l’ADN. Cette forme est favorisée en milieu aqueux puisque les phosphates sont très disponibles. En effet, ils sont orientés à l’opposé de la molécule d’ADN. Les molécules d’eau et les ions peuvent accéder facilement au groupement phosphate. On distingue très nettement le petit et le grand sillon (cf. figure I.03).

Forme Z

Cette forme est schématisée sur la figure I.06. L’hélice est gauche. Cette forme est favorisée par une alternance de paires de base G et C sur un même brin. La forme en zigzag du squelette phosphaté lui a valu son nom. Les groupements phosphates se répartissent alternativement dans le petit et le grand sillon. La répulsion électrostatique résultant déstabilise cette forme. Il faut de grandes teneurs en sel pour écranter la charge des phosphates voisins. En forme Z, les paires de base ont tendance à être repoussées vers l’extérieur de l’ADN. Cet effet provoque la disparition du grand sillon (cf. figure). Cette structure n’a donc qu’un sillon (à la place du petit sillon). On voit clairement l’alternance des sucres en conformation C3’endo et C2’endo (cf. figure I.06). L’ADN Z est plus long que l’ADN-B. Son diamètre est plus petit. La contrainte sur les sucres entraîne un angle de 9° des bases par rapport à l’axe de la molécule.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Introduction
I. Introduction
II. Description de la molécule d’ADN
II.1. Structure chimique
II.2. Structure spatiale
II.2.1. Forme A
II.2.2. Forme B
II.2.3. Forme Z
II.2.4. Triplex et quadruplex
II.3. Dénaturation de l’ADN
II.4. Etirement de l’ADN
III. ADN en solution
III.1. Condensation des contre-ions
III.2. Neutralisation de la charge
III.2.1. Paramètres pertinents du système
III.2.2. Solution à une composante
III.2.3. Solution à deux composantes
III.2.3.1. Effet de la valence des ions
III.2.3.2. Effets géométriques
III.2.4. Interaction spécifique des cations
III.3. Condensation de l’ADN
III.3.1. Présentation
III.3.2. Origine des structures ordonnées
III.3.3. Interaction entre molécules d’ADN
III.3.4. Conséquences
III.3.4.1. Pour le dépôt d’ADN
III.3.4.1.1 Structure avec beaucoup de brins
III.3.4.1.2. Structure intermédiaire
III.3.4.1.3. Structure avec peu de brins
III.3.4.2. Pour la conduction
IV. Méthodes de dépôt
IV.1. Introduction
IV.2. Traitement des surfaces
IV.3. Différentes techniques
IV.3.1. Greffage
IV.3.2. Peignage moléculaire
IV.3.3.Etirement par un flot
IV.3.4. Piège électrostatique
IV.4. Mesure des hauteurs à l’AFM
V. Mesures électriques
V.1. Introduction
V.2. Modèles de conduction
V.2.1. Transfert intramoléculaire
V.2.1.1. Vitesse de transfert
V.2.1.2. Super échange
V.2.1.3.Cas de l’ADN
V.2.1.4. Distance de saut variable
V.2.1.5. Saut de polaron
V.2.2. Transport à travers une molécule entre deux électrodes
V.2.2.1. Injection des charges
V.2.2.2. Approche de Bardeen
V.2.2.3. Approche de Landauer
V.3. Mesures électriques
V.3.1. ADN conducteur
V.3.2. ADN semi-conducteur
V.3.3. ADN isolant
V.3.4. Effet de la température
V.3.5. Effet de l’environnement
V.4. Conclusion des mesures électriques
VI. Conclusion Générale
Chapitre II : Techniques expérimentales
I. Introduction
II. Microscopie champ proche
II.1. Introduction
II.2. Microscope à effet tunnel
II.3. Microscopie à force atomique
II.3.1. Le mode contact
II.3.2. Le mode non contact
II.3.3. Le mode intermittent ou tapping
II.3.4. Microscopie optique champ proche
II.3.5. AFM et STM ?
II.3.6. Le renouveau du mode non contact
II.4. Description de l’appareil
II.4.1. Les pointes
II.5. Description des différents modes
II.5.1. Description de l’interaction pointe surface
II.5.1.1. Courbe d’approche retrait
II.5.1.2. Mode contact
II.5.1.3. Modes oscillants
II.5.1.3.1. Oscillateur harmonique
II.5.1.3.2. Cas de l’oscillation verticale
II.5.1.4. Mode oscillation latérale
II.5.2. Application à l’imagerie
II.5.2.1. Principe
II.5.2.2. Mode contact
II.5.2.3. Tapping mode
II.5.2.4. Tapping mode deflection
II.5.2.5. Mode non-contact
II.5.2.6. Mode oscillation latérale
II.5.2.7. Interprétation des images AFM
II.5.2.7.1. Effet de la dissipation
II.5.2.7.2. Cas de contraste d’élasticité
II.5.2.7.3. Effet de la couche d’eau
II.5.2.7.4. Convolution
II.5.2.8. Conclusion : AFM en pratique
II.5.3. Mesures électriques
II.5.1.1. Lift mode
II.5.1.2. EFM
II.5.1.3. Conducting AFM
II.5.1.3.1. Présentation
II.5.1.3.2. Problèmes du contact électrique
II.5.1.3.3. Caractéristiques courant – tension
II.5.1.3.3.1. Protocole
II.5.1.3.4. Imagerie en courant
III. Mesures électriques sur des électrodes fixes
IV. Préparation des surfaces
IV.1. Dépôt de molécules
IV.1.1. Principe du greffage
IV.1.1. Nettoyage du substrat
IV.1.2. Greffage de la molécule
IV.1.3. Silane amine
IV.1. Dépôt de polymères
IV.1. SiH[111]
IV.1. Pentacène
V. Caractérisation des surfaces
V.1. Caractérisation avec les énergies de surface
V.1.1. Equation de Young – Dupré
V.1.2. Equation d’Owens-Wendt
V.1.3. Mise en œuvre
V.2. Caractérisation à l’AFM
VI. Manipulation et observation de l’ADN
VI.1. Solutions d’ADN
VI.2. ADN fluorescent
VI.3. Observation au microscope
VII. Réalisation d’électrodes
VII.1. Lithographie électronique
VII.2. Lithographie optique
VIII. Conclusion
Chapitre III : Dépôt d’ADN
I. Introduction
II. Surface à contraste chimique
II.1. Problématique
II.2. Objectif
II.3. Obtention de contraste chimique
II.3.1. Test de greffage pleine plaque
II.3.2. Surface à contraste chimique
II.3.2.1. Protocole
II.3.2.2. Masque utilisé
II.3.2.3. Résultats
II.3.2.4. Conclusion
III. Dépôt d’ADN
III.1. Présentation
III.2. Méthode de la goutte
III.2.1. Variante du peignage moléculaire
III.2.2. Caractérisation de l’ADN déposé
III.2.2.1. Orientation des brins d’ADN
III.2.2.2. ADN entremêlé
III.2.2.3. Densité en fonction du pH
III.2.2.3.1. Protocole
III.2.2.3.2. Résultats
III.2.2.3.3. Interprétation
III.2.2.4. Longueur de l’ADN
III.2.2.4.1. Protocole
III.2.2.4.2. Résultats
III.2.2.5. Densité en fonction du temps d’incubation
III.2.2.5.1. Protocole
III.2.2.5.2. Résultats
III.2.2.5.3. Interprétation
III.2.3. Conclusion
III.3. Deuxième méthode : Séchage d’un goutte
III.3.1. Présentation
III.3.2. Conclusion
III.4. Discussion
III.4.1. Point de fixation de l’ADN sur la surface
III.4.2. Structure de l’ADN sur la surface
III.5. Mesure de la hauteur de l’ADN
III.5.1. Protocole
III.5.2. résultats
III.5.3. Interprétation
IV. Conclusion
Chapitre IV : Mesures électriques
I. Introduction
II. Mesures sur des électrodes
III. AFM – Conducteur
III.1. Introduction
III.2. Problème de la métallisation
III.2.1. Configuration de la jonction électrode/ADN
III.2.2. ADN posé sur l’électrode
III.3. Mesure en imagerie de courant
III.3.1. Deux mesures directes avec du pentacène
III.2.3.1. Sur SiO2
III.2.3.2. Sur une surface terminée amine
III.3.2. Conclusion
III.4. Caractéristique courant – tension
III.4.1. Introduction
III.4.2. Caractéristiques principales des mesures de courant
III.4.2.1. Asymétrie
III.4.2.2. Dépendance vis-à-vis du sens de variation de la tension
III.4.2.3. Reproductibilité des mesures
III.4.2.4. Mesure en fonction du temps
III.4.3. Interprétation des résultats
III.5. Mesure en fonction de la distance et de la taille du système
III.5.1. Modèle tunnel
III.5.2. Modèle ohmique
III.5.3. Hopping
III.5.4. Conclusion sur les différents modèles
IV. EFM
V. Fibres d’ADN
VI. Conclusion
Conclusion générale

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