3C Nanobiotechnologies, Référent d’option: E. Gaigneaux matériaux et catalyse Référent d’option: E. Gaigneaux Co-référent : C. Dupont

Quels défis à rencontrer ? 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Quels défis à rencontrer ? de la MATIERE Inorganique (métaux, oxydes, acier, minerais) Polymères Biomolécules & Cellules vivantes Comment faire pour qu’elle ait des propriétés, fonctions et comportements dont notre société a besoin ??? aux MATERIAUX Capables de CATALYSER des dépollutions la production des (bio)carburants et de l’énergie Valoriser des molécules (pétro)chimiques Transformer la biomasse Fabriquer des molécules chimiques  pharmacie / cosmétique Résistants à la corrosion, autonettoyants  acier / verre Elastiques, thermo/électro/hygrochromes  matériaux intelligents NANO(BIO)TECHNOLOGIES Nanoscopie du vivant  biologie cellulaire, microbiologie et biomed Biomatériaux – Biocompatibilité  génie biomédical Biomimétisme & biomembranes  ingénierie cellulaire et tissulaire 2

Compétences à acquérir 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Compétences à acquérir Organiques biologiques macromolécules (ADN, ARN, protéines) & cellules Organiques de synthèse plastiques (PET, PVC, PE) Inorganiques métaux oxydes (ciment, chaux, acier) 1° Comment s'organise la matière (nano  macro) : masse ? surface ? 2° Quelles propriétés (mécaniques, électriques, chimiques, biocompatibilité, etc) découlent de cette organisation et comment ? 3° Démarche d’ingénieur :  exploiter cette compréhension  façonner des matériaux avec des propriétés/fonctionnalités désirées  mettre en oeuvre dans le domaine des/de la : NANOBIOTECH POLYMERES CATALYSE

Dispositif pédagogique 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Dispositif pédagogique Exploiter  Façonner  Valoriser +3 ECTS au choix Catalyse hétérogène (5 ECTS) Familles de catalyse(urs), grands mécanismes et procédés, préparation de catalyseurs Nanobiotechnologies (3 ECTS) Nanoscopie du vivant, biosenseurs, biomimétisme, machines moléculaires, nanofabrication, etc Biomatériaux (3 ECTS) Liens propriétés des biomats & interactions avec organismes  biocompatibilité, ingénierie tissulaire Chimie des solides (4 ECTS) Classification, défauts, conductivité, corrosion, frittage, approches atomiques jusqu’à macro Biochimie structurale & fonctionnelle (2 ECTS) Structure des protéines et acides nucléiques Polymer science & engineering (5 ECTS) Caractéristiques moléculaires et phénomènes dynamiques des chaînes polymères Caractérisation de la surface des matériaux (5 ECTS) Spectroscopies de surface, microscopies électroniques et champ proche, physi-chimisorption Organisation et lien avec les propriétés Outils d’observation de la matière

Objectifs de recherche typiques 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Objectifs de recherche typiques Concevoir des catalyseurs pour  protéger l’environnement : Détruire les polluants de l’air Transformer le CO2 en molécules utiles Produire des éco-(bio)-carburants et des bio-lubrifiants  servir l’industrie chimique : Fabriquer des molécules nécessaires pour la fabrication de plastiques Synthétiser les solvants  servir la chimie fine : Fabriquer des molécules indispensables en parfumerie et pharmacie  développer la chimie bio-sourcée : Fabriquer des molécules à partir de biomasse au lieu de pétrole 5

Objectifs de recherche typiques 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Objectifs de recherche typiques Explorer le vivant à l’échelle nano pour comprendre la cellule vivante Observer la structure et l’organisation Mesurer l’adhésion et l’élasticité Comprendre les fonctions cellulaires Développer de nouvelles applications biotech (p. ex. probiotiques) & biomed (p. ex. lutte contre les pathogènes) Protéines et cellules aux interfaces  comprendre les interactions biomolécules-matériaux et cellules-matériaux Améliorer les performances de tests de diagnostic Développer des matériaux servant de support pour l’ingénierie tissulaire 6

Exemple de recherche actuelle 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Exemple de recherche actuelle Catalyse hétérogène + chimie fine Alkylation de Friedel-Crafts Lewis acid Remplacement des sels de Lewis toxiques et des acides minéraux forts corrosifs Passage à des catalyseurs hétérogènes !!! Par exemple : combinant acidité de Bronsted et propriétés acides de Lewis (SiO2, TiO2, ZrO2) Encapsulation de H3PW12O40 dans les pores de SiO2 Réacteur continu www.mssmat.ecp.fr p.ex. H3PW12O40

Exemple de recherche actuelle 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Exemple de recherche actuelle Suivi spectroscopique de procédés catalytiques + valorisation de la biomasse

Exemple de recherche récente 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Exemple de recherche récente Biocatalyse hétérogène + chimie verte + chimie de la dépollution (air et eau)

Exemple de recherche récente 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Exemple de recherche récente Caractérisation de surface d’adjuvants de vaccins  Mécanisme d’interaction antigènes-vaccins

Exemple de recherche récente 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Exemple de recherche récente Mimes de matrices extracellulaires, ingénierie tissulaire & biomimétisme, biomatériaux La science des biomatériaux (= matériaux destinés à entrer en contact avec le corps humain) et l’ingénierie tissulaire (= stratégies de réparation ou de remplacement de tissus voire d’organes basées sur l’utilisation de cellules prélevées sur le patient, et sur leur mise ne culture sur un matériaux « scaffold » qui sera réimplanté) sont en plein essor, notamment en raison du vieillissement de la population, mais aussi de notre volonté d’augmenter le bien-être (cf un des axes du développement durable – le pilier social). Ces sciences/technologies sont hautement multidisciplinaires (chimistes, physiciens, spécialistes des matériaux, biologistes, pharmaciens, médecins, juristes etc sont impliqués dans le développement d’applications, du concept à la clinique). Le bio-ingénieur a une formation idéale (polyvalence) pour servir de cheville ouvrière à ce type de projet. Nous développons des « scaffolds » qui devront permettre la croissance et la différenciation de cellules souches (càd cellules peu différenciées, qui seront orientées vers un type cellulaire bien défini, pex tissu osseux). Pour cela, nous utilisons comme matériau de base les protéines de la matrice extracellulaire (collagène). Nous essayons de recréer des architectures typiques de ce qui est observé in vivo (structures fibrillaires aux échelles nano/micro). On peut parler d’approche biomimétique (càd qui mime la nature). Des membranes formées par l’enchevêtrement de nanotubes sont en cours d’élaboration (cf poster pour les détails de préparation). Les nanotubes qui forment ces membranes pourront aussi servir à relarguer des principes actifs (pex antibiotique ou facteur de croissance), ce qui améliorera les dispositifs en les rendant multifonctionnels.

Exemple de recherche récente 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Exemple de recherche récente Nanoscopie de systèmes biologiques et cartographie de propriétés biophysiques Pour remplir ses diverses fonctions, les cellules mammaliennes présentent des propriétés structurelles, biophysiques et chimiques qui évoluent de manière dynamiques en fonction des besoins de la cellule. A l'heure actuelle, comment les cellules établissent et régulent leurs propriétés et leurs intéractions pour guider la machinerie moléculaire restent méconnu. A la croisée des nanotechnologies et des sciences du vivant, ce projet a pour objectif de mieux comprendre les propriétés biomoléculaires ainsi que les interactions dynamiques qui régulent la machinerie moléculaire des cellules, via l'utilisation de nouveaux outils à haute-résolution directement sur des cellules vivantes. La stratégie générale sera de tirer parti des récents développements de la microscopie à force atomique pour dresser des images topographiques des surface cellulaires et de combiner celles-ci avec une cartographie quantitative des leurs propriétés physiques, chimiques et biologiques. De plus, une corrélation simultanée avec la microscopie optique à épifluorescence ou confocale à balayage laser, nous permettra de suivre les processus cellulaires dynamiques sous-jacent.

Exemple de recherche récente 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Exemple de recherche récente Nanoscopie du vivant + maladies infectieuses Depuis l’invention du microscope optique au 17e siècle, des progrès énormes ont été réalisés en microscopie. Depuis peu, le microscope à force atomique AFM permet d’observer et manipuler le vivant à l’échelle nanométrique, càd l’échelle des molécules. Cette technologie nouvelle, appelée nanoscopie du vivant, est appliquée dans l’équipe du Pr Dufrene pour mieux comprendre l’étape initiale de très nombreuses infections, à savoir l’adhésion des germes pathogènes aux surfaces, conduisant à la formation de biofilms, structures très résistantes aux antibiotiques. Il s’agit d’une part d’observer la surface des microbes à l’échelle nano, et d’autre part de quantifier les forces adhésives entre microbes et cellules hôtes ou implants, pour à terme pouvoir mieux les contrôler.

Posters présentés (1/2)  Carnoy b.006 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Posters présentés (1/2)  Carnoy b.006 17. Biocatalytic transamination in continuous flow  Ludivine van den Biggelaar, Damien Debecker 18. Room temperature synthesis of glycidol using Nano structured sodium aluminate as solid base catalyst  Ramesh S., Damien Debecker 19. Suivi spectroscopique de la déshydratation du méthanol en diméthyléther sur catalyseurs hétéropolyacides  Josefine Schnee, Eric Gaigneaux 20. Catalyseurs hétérogènes pour la réaction de Friedel-Crafts  Chiara Pezzotta, Eric Gaigneaux

Posters présentés (2/2)  Carnoy b.006 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Posters présentés (2/2)  Carnoy b.006 21. Adsorption mechanisms of model antigens on aluminum-based vaccine adjuvants  Jean-François Art, Christine Dupont 22. Elaboration de biointerfaces 3D via l’assemblage de nanotubes mimant les matrices extracellulaires, pour l’application à l’ingénierie tissulaire  Damien Lefèvre, Christine Dupont 23. Imagerie « haute définition » de systèmes biologiques et caractérisation des propriétés biophysiques par microscopie à force atomique  David Alsteens ??. Force nanoscopy of the staphylococcal adhesin SdrG  Philippe Herman, Yves Dufrène