Roberta Brayner - Institut des NanoSciences de Paris
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Micro-algues et matériaux : vers des matériaux “vivants” Synthèse bio-controlée de nanoparticules de Au Roberta Brayner Université Paris Diderot Laboratoire Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des 1 Systèmes (ITODYS), Paris, FRANCE Introduction Micro-algues Macro-algues Algues « vertes » ou « chlorophycées » Algues « bleues » ou « cyanophycées » ou « cyanobactéries » Algues « brunes » « Diatomées » Algues « rouges » 2 Notion de procaryotes et d’eucaryotes Eucaryotes Procaryotes • Organisme vivant possédant un noyau isolé du cytoplasme par une membrane et qui contient de l'ADN • Chromosomes linéaires • chaînes respiratoires dans les mitochondries • Photosystèmes, lorsqu’ils existent, dans les plastes • Matériel génétique contenu dans un nucléosome (zone cytoplasmique)) . Pas de noyau • Chromosomes circulaires attachés à la membrane plasmique • Photosystèmes, lorsqu’ils existent, à la surface de la membrane plasmique ou sur des thylacoïdes libres E. coli Calothrix Klebsormidium 3 Cyanobactéries Cellules végétatives (photosynthèse, hydrogénase) Hétérocyste (fixation de N2, nitrogénase) Calothrix Anabaena Leptolyngbya 4 Rapport entre métabolisme photosynthétique et la fixation de N2 • La paroi des hétérocystes réduit la diffusion de O2 (et N2) à l’intérieur des hétérocystes. • Ces gaz doivent donc rentrer via les cellules végétatives et aussi par les microplasmodesmas (canaux) qui connectent les hétérocystes et les cellules végétatives. • La réduction du N2 atmosphérique en NH3 est catalysée par l’enzyme 5 nitrogénase (hétérocystes) Cellule Végétative CG Caractéristiques principales d’une cellule végétative: Paroi cellulaire (CW), grains de cyanophycine (CG), thylacoïdes (TH), gouttes de lipides (LD). 6 Bloom de cyanobactéries • Ces micro-algues sont présentes en grande abondance à la surface du globe et constituent une source de matière première bio-renouvable qui, jusqu’à présent n’est utilisée que dans des produits à faible valeur ajouté (agro-alimentaire) • Nous nous proposons d’utiliser ces organismes vivants pour i. La synthèse de nanoparticules métalliques et oxydes/sulfures, et ii. La réalisation de biocapteurs par encapsulation dans des gels minéraux 7 Courbes de croissance des micro-algues dans leur milieu de culture Anabaena Klebsormidium Remarque : Le Calothrix ne forme pas une dispersion homogène. 8 Viabilité des micro-algues La viabilité des micro-algues est suivie en mesurant le rendement de fluorescence (Fv/Fm) 9 Viabilité des micro-algues Anabaena Calothrix Klebsormidium 10 Réduction enzymatique in vivo de sels métalliques Addition of Au3+ aqueous solution incubation Micro-algae + BB medium Addition of Au3+ aqueous solution Au0 Micro-algae + BB medium incubation Au3+ BB medium BB medium No reduction ! 11 Réduction enzymatique in vivo de sels métalliques UV-Vis Calothrix (48h) Anabaena (10 min) Leptolyngbya (>100H) MET Nanoparticules métalliques de Au dans BB medium Microscopie optique 12 R. Brayner in Frontiers in Drug Design & Discovery , Vol. 2, 241 (2006). Coupes fines de cyanobactéries • Les nanoparticules métalliques de Au ont été synthétisées à l’intérieur des cellules. •Une partie à été relarguée dans le milieu de culture. •Stabilisation par les exo-polysaccharides • Récupération facile. R. Brayner et al. J. Nanoscience & Nanotechnology , 7 (2007) ! 13 Klebsormidium Abs (a.u.) Klebsormidium Au > 100 H 400 450 500 550 Wavelength (nm) 600 650 700 Nanoparticules métalliques de Au dans BB medium (très peu concentré) Particules concentrées a l’intérieur de la paroi cellulaire 2 µm 14 Caractérisation EDX XPS DRX Présence de nanoparticules métalliques de Au. Pas de Au3+ ! 15 Mécanisme de réduction, : le rôle de la nitrogénase Calothrix (48h) Anabaena (10 min) Leptolyngbya (>100H) • La réduction de N2 atmosphérique est catalysée par la nitrogénase (localisée principalement dans Klebsormidium Au • Leptolyngbya (non-hétérocysté) fixe le N2 dans Abs (a.u.) les hétérocystes (Anabaena et Calothrix). l’obscurité • Klebsormidium présente seulement l’hydrogénase (mécanisme de photosynthèse). R. Brayner et al. J. Nanoscience & Nanotechnology, 7 (2007) > 100 H 400 450 500 550 Wavelength (nm) 600 650 16 700 Bioréacteurs • Possibilité d’utiliser les cyanobactéries comme bioréacteurs récyclables. • Les cellules retrouvent leur activité photosynthétique après un nouveau repiquage !. 17 Réduction enzymatique in vitro de sels métalliques 1ère étape : extraction des exo-polysaccharides et lyophilisation 2ème étape : dissolution des exo-polysaccharides dans le BB medium et addition de nitrogénase Adition d’une solution aqueuse de Au3+ 500 nm BB medium + Calothrix + Nitrogénase Formation de ~ 60% de triangles de Au exo-polysaccharide Au0 + BB medium Les nanoparticules obtenues par la synthèse in vitro ont une taille et une forme 18 différentes de celles produites in vivo par les micro-algues Nouveaux Systèmes Nanoparticules de Ag relargage 19 Nouveaux Systèmes Nanoparticules de Pd et Pt Pd Pt 20 Résumé 21 Conclusions • Nous avons démontré que les cyanobactéries peuvent être utilisées dans la synthèse de nanoparticules de Au, Ag, Pd, Pt, FeOOH…à l’intérieur des cellules. • Dans le cas des nanoparticules métalliques, la réduction est obtenue via un mécanisme enzymatique (nitrogénase). • La taille et la forme des nanoparticules dépend du genre utilisé. • Il a été aussi montré qu’il est possible d’utiliser les micro-algues comme des bioréacteurs récyclables (possibilité de faire plusieurs répiquages après mise en contact avec les sels métalliques). • Les micro-algues peuvent vivre encapsulées dans de gels minéraux en produisant toujours de nanoparticules • Les nanoparticules métalliques produites à l’intérieur des cellules (sans gel) sont rélarguées dans le milieu de culture. Elles forment un colloïde stable dû à la présence des exo-polysaccharydes produits par les micro-algues (mucilage). • Elles seront utilisées en catalyse (oxydation de CO, LRS Paris 6), comme biocapteurs (propriétés optico-électroniques) et aussi sous forme de biofilms pour l’étude de propriétés magnétiques (oxydes de fer). 22 Remerciements • Muséum National d’Histoire Naturelle, Paris Prof. Alain Couté, Dr. Chakib Djédiat, Dr. Claude Yéprémian, Dr. Hélène Barberousse • CMC, Université Paris 6 Pierre et Marie Curie, Paris Dr. Thibaud Coradin, Dr. Miryana Hemadi • Collège de France, Paris Prof. Jacques Livage • ITODYS, Université Paris 7 Denis Diderot, Paris Prof. Fernand Fiévet, Dr. Fréderic Herbst, Mme Marie-Joséphe Vaulay 23
