Biomolécules et Matériaux Nanostructurés Jacques Livage - Collège de France livage@ccr.jussieu.fr 01 44 27 21 84 www.labos.upmc.fr/lcmcp/newsite rubrique : enseignement 12.12.07

Association de nanoparticules minérales via des biomolécules

E. Katz, I. Willner, 43 (2004) 6042

Angew. Chem. Int. Ed. 40 (2001) 4128

Les biomolécules servent à relier les nanoparticules minérales fixation nanoparticule inorganique-biomolécule

Les mésocristaux

cristal mesocristal

DHBC = Double Hydrophilic Block Copolymers BaSO4 BaCO3

entre partenaires fonctionalisés Agent de couplage entre partenaires fonctionalisés reconnaissant les 2 surfaces Couplage direct par des groupements complémentaires

10 Functional Group semi conducteurs métaux S COO- NH2

Couplage antigène-anticorps interactions spécifiques antigène-anticorps

L’organisme produit des anticorps pour lutter contre l’agression de corps étrangers (antigène) Antigènes bacterie virus Anticorps anticorps antigène Reconnaissance spécifique ‘ antigène-anticorps’

L’anticorps reconnaît certaines fonctions (épitopes) à la surface de l’antigène X Haptène molécule trop petite pour jouer le rôle d’antigène doit être associée à une protéine (albumine) X Bovine Serum Albumin anticorps anti-X Reconnaissance spécifique de X

Le couple biotine - streptavidine Formation d’un complexe très stable biotine Biotine (vitamine H, B1) coenzyme Avidine : glycoprotéine du blanc d’oeuf

Assemblage 2D ou 3D de nanoparticules métalliques Biologically Programmed Nanoparticle Assembly S. Mann et al. Adv. Mater. 11 (1999) 449 S. Mann et al. Adv. Mater. 12 (2000) 147 Assemblage 2D ou 3D de nanoparticules métalliques + anti-corps antigène (haptène)

Fonctionalisation de nanoparticules d’or 15 Fonctionalisation de nanoparticules d’or via la formation de liaisons Au-S Fixation des anticorps + Association via un agent de couplage

Greffage d’anticorps anti-DNP sur les particules métalliques IgE haptène Au Agent de couplage Précipitation quand on ajoute l’agent de couplage antigène = DiNitroPhénol anti-corps = IgE anti-DNP

Greffage d’anti-corps sur les nanoparticules d ’or (12 nm) Addition de l’agent de couplage + dispersion colloïdale rose stable pendant plusieurs semaines Les IgE empêchent l’agrégation agrégation précipité pourpre

Association de nanoparticules cylindriques ≠ sphériques

Greffage de 2 anticorps différents 1 2 IgE anti-DNP NO2 IgG anti-biotine Agent de couplage

même opération avec 2 systèmes différents 20 même opération avec 2 systèmes différents Ag Au précipité noir

Le couplage permet d’associer les nanoparticules mais ne conduit pas à des systèmes ordonnés Associations Au-Ag Associations Au-Au

Nanotubes peptidiques matériaux nanostructurés 2007 Nanotubes peptidiques et matériaux nanostructurés

20 acides aminés

25

Liaison peptidique

polypeptide Structure primaire

Structure primaire Structure secondaire

Structure des peptides 30

Nanotubes peptidiques

Auto-assemblages entre peptides

E. Gazit, Chem. Soc. Rev. 36 (2007) 1263

Formation de nanotubes à partir de peptides cycliques 35 Formation de nanotubes à partir de peptides cycliques s’empilent pour former des nanotubes

d’acides aminés ‘droit’ et ‘gauche’ liaisons hydrogène liaisons hydrogène Reza Ghadiri et al. Nature 366 (1993) 324 assemblage d’acides aminés ‘droit’ et ‘gauche’

vue le long de l’axe a vue le long de l’axe c

Canaux trans membranaires pour le transport des ions Artificial transmembrane ion channels from self-assembling peptide nanotubes Reza Ghadiri et al. Nature 369 (1994) 301 Canaux trans membranaires pour le transport des ions

D-Alanine + L-Glutamine

40 glutamine phénylalanine

assemblage d ’acides aminés ‘ droit ’ et ‘ gauche ’ nanotubes auto-assemblage

+ - + - + - + - + - + - - + - + - + - + - + - + Formation de nanotubes à partir de peptides linéaires séquences alternées d’acides aminés négatifs et positifs attractions électrostatiques + - + - + - + - + - + - - + - + - + - + - + - +

lysine arginine positif (NH3)+ ac. glutamique ac. aspartique négatif (COO)- -

- - - - - - - - Peptides ‘ Lego ’ feuillets b ac. aspartique surface supérieure hydrophile surface inférieure hydrophobe CH3 COO- EAK16-I alanine - - - - - - - - + + + + + + + hydrohobe hydrophile

les peptides s’organisent en fibrilles 45 - - - - - - - - + + + + + + + hydrohobe hydrophile En milieu aqueux les peptides s’organisent en fibrilles

Formation de nanotubes via les interactions p-p Rôle des groupements aromatiques Formation de nanotubes via les interactions p-p

diphénylalanine en nanotubes Auto-assemblage de la diphénylalanine en nanotubes 100 nm MET MET AFM

diphénlyl alanine diphénlyl glycine alanine glycine

100 nm cystéine Cys

deux types d’interactions orthogonales 50 deux types d’interactions orthogonales Interactions p-p Ponts S = S SH f

en milieu aqueux la tête polaire est vers l’extérieur Peptides amphiphiles Formation de nanotubes en milieu aqueux la tête polaire est vers l’extérieur

Peptides amphiphiles queue hydrophobe chaîne alkyle têtes polaires + tête polaire hydrophile queue hydrophobe chaîne alkyle têtes polaires acide aspartique alanine valine Négative acide glutamique + lysine Positive histidine

Différentes morphologies formées selon le coefficient P

La longueur du peptide augmente avec le nombre d’acides aminés 55 hydrophile hydrophobe

Peptides amphiphiles sérine cystéine tête polaire hydrophobe fonctionnelle hydrophobe ponts S=S rigidité linker Chaîne alkyle

Réseau de nanotubes formées à partir de peptides amphiphiles

auto-assemblage des peptides en solution aqueuse pour donner des nanotubes diamètre ≈ 30 à 50 nm + acide aspartique lysine queue hydrophobe

Ces nanotubes servent de ‘templates’ pour l’élaboration de nanomatériaux inorganiques

Contrôle du diamètre des nanotubes exo = tubes creux 60 Contrôle du diamètre des nanotubes exo = tubes creux exo endo endo = tubes pleins

Peptides Bolaamphiphiles molécules présentant 2 têtes polaires liées par une chaîne hydrophobe Une fonction carboxylate hydrophile à chaque extrémité Spacer = chaîne hydrocarbonée hydrophobe (CH2)n

Auto-assemblage en solution pour donner des nanotubes

Liaisons hydrogène groupes acides groupes amides

Liaisons hydrogène entre molécules voisines 65 Liaisons hydrogène entre molécules voisines x z x : entre -COOH O- C OH HO -O C=O ----- H-N z : entre CO et NH

Liaisons hydrogène z x oxygène azote hydrogène carbone COOH C=O HOOC N-H C=O COOH HOOC

selon le pH, les groupements NH et COOH sont ± protonées J. Phys. Chem. 104 (2000) 3383 bis(N-a-amido-glycylglycine)-1,7-heptane dicarboxylate selon le pH, les groupements NH et COOH sont ± protonées conduisant à des nanotubes ou à des hélices pH 4 pH 8 nanotubes hélices

-COO- -COOH