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
Micro-algues Introduction 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 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 Procaryotes 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) Calothrix Hétérocyste (fixation de N 2, nitrogénase) Anabaena Leptolyngbya 4
Rapport entre métabolisme photosynthétique et la fixation de N 2 La paroi des hétérocystes réduit la diffusion de O 2 (et N 2 ) 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 N 2 atmosphérique en NH 3 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 Au 3+ aqueous solution Micro-algae + BB medium incubation Au 0 Micro-algae + BB medium Addition of Au 3+ aqueous solution incubation Au 3+ BB medium BB medium No reduction! 11
Réduction enzymatique in vivo de sels métalliques UV-Vis Calothrix (48h) Anabaena (10 min) Leptolyngbya (>100H) Nanoparticules métalliques de Au dans BB medium MET Microscopie optique R. Brayner in Frontiers in Drug Design & Discovery, Vol. 2, 241 (2006). 12
Coupes fines de cyanobactéries R. Brayner et al. J. Nanoscience & Nanotechnology, 7 (2007) 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 13 Récupération facile.!
Klebsormidium Klebsormidium Au Abs (a.u.) > 100 H 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) 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 Au 3+! 15
Mécanisme de réduction, : le rôle de la nitrogénase Calothrix (48h) Anabaena (10 min) Leptolyngbya (>100H) La réduction de N 2 atmosphérique est catalysée par la nitrogénase (localisée principalement dans les hétérocystes (Anabaena et Calothrix). Leptolyngbya (non-hétérocysté) fixe le N 2 dans l obscurité Klebsormidium présente seulement l hydrogénase (mécanisme de photosynthèse). R. Brayner et al. J. Nanoscience & Nanotechnology, 7 (2007) Abs (a.u.) Klebsormidium Au > 100 H 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) 16
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 Au 3+ BB medium + Nitrogénase Calothrix + exo-polysaccharide 500 nm Formation de ~ 60% de triangles de Au Au 0 + 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
Nanoparticules de Ag Nouveaux Systèmes relargage 19
Nanoparticules de Pd et Pt Nouveaux Systèmes 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