Electrochemistry of Biosystems
Linking Glucose Oxidation to Luminol-based Electrochemiluminescence using bipolar Electrochemistry
Asymmetric Modification of TiO2 Nanofibers with Gold by Electric-Field-Assisted Photochemistry
Stimuli-responsive microgels for electrochemiluminescence amplification

Stéphane Arbault, Neso Sojic, Alexander Kuhn, Laurent Bouffier, Patrick Garrigue

Dans cette thématique nos activités de recherche sont consacrées à la mise au point, en collaboration avec biologistes et cliniciens, de méthodes et de capteurs pour la détection de phénomènes biologiques dans le but d'élucider les mécanismes métaboliques ou génétiques fondamentaux. Nous développons des capteurs électrochimiques et optoélectrochimiques de dimensions et structuration micro- ou nanométriques adaptées à la taille de l'entité biologique étudiée (tissu, cellule unique, membrane, organelle, ADN isolé) et de la précision de localisation requise.

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Schéma décrivant les applications des micro-capteurs à l'échelle nanométrique pour la détection d'espèces bioactives.


1. Détection électrochimique de métabolites issus de mitochondries

Un projet en cours de réalisation est notamment axé sur le suivi des espèces issues du métabolisme respiratoire et énergétique y compris l'oxygène lui-même, l'ATP ou les dérivés réactifs de l'oxygène et de l'azote (ROS et RNS) . Ces derniers sont produits au cours de l'oxydation et des processus de stress nitrosant. Leur détection est d'un intérêt majeur pour élucider les mécanismes neurodégénératifs ou cancérogènes. Pour ce faire, des nanoparticules ou des microélectrodes/optoelectrodes modifiées par des enzymes sont élaborées afin de mesurer sélectivement chaque espèces consommées ou libérées par les cellules ou par les mitochondries. En particulier, nous quantifions le rapport entre l’O2 et le H2O2 libérés par la respiration mitochondriale dans les conditions physiologiques de signalisation et dans des situations de stress oxydatif. Une combinaison des approches électrochimiques et spectrophotométriques (cf. Imagerie multi-échelles) nous fournit des signatures spectrales pertinentes mais également la possibilité de suivre la distribution spatiale des espèces correspondantes (généralement d'une source intracellulaire vers une sécrétion extracellulaire). 

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2. Réseaux électrochimiques

Les capteurs sont également intégrés dans des microsystèmes dans le but de combiner in situ la culture de cellules ou d’organites isolés, leur stimulation et la détection de réactions biologiques. En particulier, nous avons montré que la micro-ou nano-structuration rationnelle de la surface (dépôts de platine hautement organisés méso-macroporeux) de ces dispositifs permet de réduire considérablement le bruit de mesure et donc permet de mesurer des signaux tels les potentiels d'action, qui, sans cela, ne seraient pas détectables (cf. figure ci-dessous). Ces bio-MEMS optimisés trouvent alors potentiellement une utilisation clinique ainsi que des applications dans le domaine du diagnostic.

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Enregistrement de l'activité neuronale avec bruit de fond réduit par utilisation de MEA mésoporeux. a) Cellules de moelle épinière cérébrale (E13.5) sur un MEA mésoporeux 4x15. b) Exemple d'enregistrement en réseau étendu de l'activité rythmique correspondante montrant deux vagues. c) Gros plan sur le signal brut correspondant aux deux canaux mis en évidence dans b). Chaque émission est composée d'un potentiel local de champ sur laquelle une rafale de pointes est superposée. d) Signaux identiques à c) après filtrage haut ne montrant que les salves de pointes. e) Signaux identiques à d) mais superposés sur le bruit de fond des mêmes micro-électrodes avant modification de la porosité. Cela montre que l'activité de rupture n'aurait pas été détectée par ces électrodes planes non modifiées.


3. Biocapteurs ADN

Le développement de biocapteurs ADN constitue un domaine de recherche en constante expension depuis des décennies compte tenu du besoin constant de nouvelles technologies pour le diagnostic médical et les tests biochimiques . Différentes approches analytiques, y compris l'optique ou la spectroscopie, sont généralement utilisées pour détecter des phénomènes d'hybridation de l'ADN. Cependant l'électrochimie est très souvent considérée comme une technique alternative pratique. Dans ce contexte, une voie particulièrement intéressante de marquage de l’ADN, ne nécessitant pas de dérivation chimique du brin complémentaire, implique l'utilisation de petites molécules interagissant directement et sélectivement avec le duplex que sont les agents intercalants. Ces composés naturels ou synthétiques, d’ores et déjà étudiés en tant que médicaments pour leurs applications anticancéreuses potentielles, sont désormais considérés comme des outils intéressants pour la détection d'ADN en particulier lorsqu’ils sont redox-actifs. Nous développons actuellement une voie de synthèse d’agents intercalants de type pyridoacridine et nous en étudions les propriétés spectro-électrochimiques pour parvenir à déterminer des modes de détection multiples basés sur un transfert électronique ADN-dépendant mais aussi sur la fluorescence in situ ou la spectroscopie Raman sous contrôle électrochimique.

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Principe de synthèse d’agents intercalants de l’ADN à partir d'une acridine commerciale(à gauche); Détection électrochimique et par fluorescence de l'hybridation d'ADN sur des réseaux de microélectrodes (à droite).

Zeste de Science du CNRS


jeudi 15 février 2018
Après son communiqué de presse paru en octobre dernier, le CNRS vient de mettre en ligne une vidéo de vulgarisation pour expliquer le principe de l'électrochimie bipolaire appliquée à la mise en mouvement de polymères conducteurs. Vous pouvez la consulter en cliquant sur l'image ci-dessous !

Communiqué de presse du CNRS - Des plastiques qui dansent


mercredi 11 octobre 2017
De nouveaux types d’actionneurs à base de polymères conducteurs ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie et viennent de faire l'objet d'un communiqué de presse du CNRS. L’originalité de l'approche réside dans le déclenchement d'une déformation réversible d’un plastique à distance par voie électrochimique. Ce processus, qui exploite le principe de l'électrochimie bipolaire, se déroule sans aucune connexion physique et permet d’actionner plusieurs objets... Read More...

Communiqué de presse du CNRS - Semi-conducteurs Janus


lundi 24 juillet 2017
Dans le cadre d'une collaboration avec des scientifiques thaïlandais (centre VISTEC à Rayong et Kasetsart University à Bangkok), notre équipe vient de mettre au point un nouveau procédé permettant de synthétiser des particules "Janus" semi-conductrices qui pourraient trouver application dans le domaine de la catalyse, et notamment celui de la photolyse de l’eau. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie et viennent de faire l'objet d'un... Read More...

Financement ERC pour Alexander Kuhn


mercredi 3 mai 2017
Alexander KUHN vient d'obtenir un financement de l'ERC pour une durée de 5 ans ! L'objectif global du projet, intitulé ELECTRA, est de proposer des stratégies jusqu'à présent inexplorées et polyvalentes, basées sur l'utilisation non-conventionnelle de phénomènes électrochimiques, pour générer une asymétrie dans des systèmes chimiques à différentes échelles de longueur.... Read More...

Distinguished Fellow


lundi 11 janvier 2016
The French Chemical Society has selected Alexander Kuhn as one of its new distinguished fellows. The official ceremony will be held in May 2016 in Paris. Congratulations!