Design of hybrid materials towards single cyanobacteria@silica

Traduction de l'intitulé de la thèse: Conception de matériaux hybrides pour la création de systèmes cyanobactéries@silice

Thèse de l'étudiant: Doc typesDocteur en Sciences

Résumé

Face aux défis environnementaux et sociétaux actuels, il est important de développer des technologies propres et durables. Les progrès de la microbiologie et l’essor des biotechnologies permettent aujourd’hui de proposer des solutions efficaces à certains de ces défis liés entre autres à la diminution des ressources fossiles ou à la pollution produite par l’activité industrielle. Les microorganismes ont en effet de multiples qualités. Ils sont capables de répondre à certains stimuli, de produire des molécules complexes, certains sont également capables de transformer l’énergie lumineuse du soleil. Tous ces procédés sont réalisés avec toujours une importante efficacité énergétique et une sélectivité remarquable. Néanmoins, leur exploitation intensive et le besoin de viabilité à long terme dans des environnements artificiels conduisent à des conditions d’utilisation de ces microorganismes de plus en plus drastiques. Il est donc fondamental de concevoir des stratégies pour les protéger et faciliter leurs manipulations.
En s’inspirant des processus de biominéralisation fréquents dans la Nature, il est possible de modifier l’environnement proche de ces microorganismes en les entourant d’un matériau abiotique protecteur, à l’instar des diatomées et des oeufs de poules où des coquilles à différentes échelles protègent le matériel biologique.
L’objectif de ce travail est de concevoir une méthode d’encapsulation de cyanobactéries de type Synechoccocus PCC 7002 au sein d’une nanocoquille à base de silice pour les confiner et les protéger dans le but d’améliorer l’utilisation de ces procaryotes photosynthétiques. La synthèse de matériaux hybrides organiques-inorganiques est un point clé de ce travail. Ceux-ci seront obtenus en utilisant la méthode de couche par couche et différents additifs qui dirigeront la synthèse par voie sol-gel du matériau de silice.
Dans un premier temps, six matériaux sont obtenus suite à la déposition de différents polycations
(poly(hydrochlorure d'allylamine, poly(chlorure de diallyldiméthylammonium), poly(éthylèneimine),
poly(hydrochlorure de l-arginine), poly(hydrochlorure de l-lysine) et hydrochlorure de diéthylaminoéhtyle
dextran) autour des cellules. Cette couche préliminaire fait office de support pour le dépôt ultérieur de silice suite à l’addition d’acide silicique. En comparant ces matériaux, il a été mis en évidence que la composante organique de la nanocoquille hybride a une réelle influence sur les propriétés de celle-ci. En modifiant la nature et la taille des polyélectrolytes, il est possible donc d’induire certaines propriétés à la matrice abiotique.
Continuant dans cette direction, l’ajout de groupements aromatiques, grâce à l’addition de poly(styrène sulfonate) de sodium, absorbant les rayonnements ultraviolets a permis de protéger les cellules de ses effets délétères. Malgré la modification de l’environnement direct de la paroi cellulaire, les cyanobactéries ont conservé leurs propriétés utiles pour la bioremédiation. Les capacités de biosorption de métaux lourds (Cd2+, Cu2+ et Pb2+) par les cyanobactéries sont ainsi très similaires avant et après le procédé d’encapsulation. Leur recyclage s’est également avéré possible sans perte de fonctionnalité après cinq cycles.
Ensuite, l’utilisation de silanes organiquement modifiés a été envisagée afin de contrôler les interfaces du matériau en insérant des groupements organiques. Il est ainsi possible de contrôler l’interface entre les cellules et le matériau de silice par l’intermédiaire d’organosilanes aminés. La modification du matériau de silice a également permis l’addition de groupements sulfhydryles en surface, créant ainsi des points d’ancrage pour d’éventuels greffages. Ces groupements ont ainsi permis l’insertion de particules magnétiques en surface de la nanocoquille et de conférer ainsi une certaine mobilité aux cyanobactéries. Le greffage réussi des cyanobactéries sur lames de verre préalablement traitées ouvre la voie à de nouveaux types de systèmes hybrides multifonctionnels et innovants.
la date de réponse18 janv. 2019
langue originaleAnglais
L'institution diplômante
  • Universite de Namur
SponsorsFund for Research Training in Industry and Agriculture (FRIA)
SuperviseurStephane VINCENT (Président), BAO LIAN SU (Promoteur), Marc Boutry (Jury), Fabrice Franck (Jury), Pierre VAN CUTSEM (Jury) & Alain KRIEF (Jury)

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