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dimanche 23 avril 2017

Capteurs Chimiques et Biochimiques

 

A. Kuhn, V. Ravaine, N. Sojic, S. Arbault, V. Lapeyre, B. Goudeau

Cette thématique de recherche concerne le développement de systèmes de mesure conçus pour détecter sélectivement ou spécifiquement des molécules d’intérêt biologique. Deux principaux aspects doivent alors être considérés parallèlement. D’une part la mise au point de systèmes chimiques qui permettent la reconnaissance moléculaire, de l’autre l’aspect détection qui consiste en la transduction du phénomène de reconnaissance en un signal mesurable.


1. Bioelectrodes à  architectures complexes hiérarchisées

Ces dernières années, notre groupe a élaboré de nouvelles approches pour concevoir des électrodes possédant une porosité hautement contrôlée. La surface interne de ces électrode peut être ensuite modifiée avec des médiateurs rédox ou des enzymes et co-enzymes pour trouver des applications  dans le domaine des biocapteurs, des biopiles ou de la bioélectrosynthèse.

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(A) Vue latérale d’une électrode macroscopique de polypyrrole avec gradient de porosité obtenu par Langmuir Blodgett (B) Reconstitution 3D d’une électrode poreuse d’or caractérisée par FIB-SEM.

Cette structuration à l’échelle sub-micrométrique présente un intérêt tout particulier pour la réalisation d’électrodes miniaturisées (microélectrodes) qui génèrent usuellement des courants de très faible intensité. Ce phénomène peut alors être compensé par l’utilisation de microélectrodes poreuses et l’augmentation de la surface électroactive ainsi que l’intensité du courant jusqu’à près de deux ordres de grandeur. Lorsque de telles électrodes poreuses sont partiellement ou complètement recouvertes d’une matrice contenant une enzyme spécifique, une augmentation du courant est aussi observée.

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(A) Image MET d’une matrice Resydrol électrodéposée dans les pores d’une électrode macroporeuse (B) Comparaison de l’oxydation électroenzymatique D-sorbitol lorsque le système biocatalytique est déposé sur une électrode d’or plane (b), et sur une électrode d’or avec 3 demi-couches remplies de Resydrol (c).


Finalement, ces électrodes poreuses ne sont pas seulement utilisées pour concevoir des biocapteurs possédant des limites de détection inférieures (cf. Electrochimie des Biosystèmes) mais également en tant que nouveaux réacteurs biochimiques à la capacité de production améliorée  ou comme biopiles générant des courants accrus.


2. Nanogels sensibles au glucose comme capteurs et systèmes de délivrance d'insuline.

Les nanogels sont des particules colloïdales constituées de polymères réticulés gonflés. Ces particules déformables, fonctionnalisées avec un acide boronique, ligand de la molécule de glucose, permettent des modifications de leur taille en réponse à des changements de la concentration en glucose du milieu externe. Notre groupe développe ces systèmes dans le but de les appliquer au traitement du diabète. D'une part ils peuvent être utilisés en tant que capteurs pour mesurer la concentration en glucose, d’autre part en tant que vecteurs pour l'administration d'insuline en boucle fermée. Dans ce domaine, nous portons notre attention sur la conception de matériaux biocompatibles à base de polysaccharides. Ce projet implique des collaborations tant avec des pharmaciens que des praticiens.

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3. Biosystèmes synthétiques.

La dernière décennie a vu croître un fort intérêt pour les systèmes artificiels mimant cellules uniques vivantes. Dans ce contexte, nous avons conçu des vésicules unilamellaires géantes ( GUV, de 10 à 100 um), préparées à partir de phospholipides naturels ou synthétiques. Ce système constitue un modèle pratique de la matrice lipidique de fermeture des membranes cellulaires. Parmi les exemples d’application des GUV, l'expression de gènes et la synthèse enzymatique d'espèces actives à l'intérieur d'une vésicule mimant au travers d'un système artificiel dynamique les caractéristiques essentielles des cellules vivantes apparaissent comme les plus prometteurs. Notre projet vise à développer des GUV dans lesquelles des réactions enzymatiques (ex. glucose oxydase, NO synthase) peuvent être menées sous un contrôle quantitatif et temporel (micro-injection, fusion de liposomes). Les produits enzymatiques (H2O2, NO°, ONOO-) peuvent être suivis in situ et simultanément par microscopie à fluorescence (ex. Amplex rouge) et par électrochimie (ultramicroélectrode) afin de détermienr la nature des espèces générant des processus de stress nitro-oxydant dans les systèmes vivants (cf. Electrochimie des biosystèmes).

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A gauche : schéma de principe d’un système biomimétique basé sur un liposome unique (Vésicule Géante Unilamellaire). Une réaction enzymatique (E) y est réalisée, après micro-injection d’un substrat (S), le produit formé (P) étant détecté in situ par Electrochimie (microélectrode) ou Fluorescence (marqueur F). A droite : exemple d’une VGU (phosphatidylcholine) dans laquelle le péroxyde d’hydrogène formé par la glucose oxydase est détecté avec un marqueur fluorescent (Amplex Red).

Références

Remote Surface Enhanced Raman Spectroscopy Imaging via a Nanostructured Optical Fiber Bundle
Optics Express 200917, 24030-24035.

Multiplexed Sandwich Immunoassays using Electrochemiluminescence Imaging Resolved at the Single Bead Level
J. Am. Chem. Soc. 2009131, 6088-6089.

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