Bio-inspired protein nanowire : electrical conductivity and use as redox mediator for enzyme wiring

par Lucie Altamura

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Sous la direction de Vincent Forge.

Soutenue le 27-01-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de chimie et biologie des métaux (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Marianne Weidenhaupt.

Le jury était composé de Patrice Rannou, Trevor Forsyth.

Les rapporteurs étaient Benoît Limoges, André Matagne.

  • Titre traduit

    Nanofils bio-inspirés constitués de protéines : conductivité électrique et utilisation comme médiateur redox


  • Résumé

    Nous avons développé un nano-fil conducteur, constitué uniquement de protéines et bio-inspiré des nano-fils bactériens conducteurs. Pour cela, une protéine chimère a été créée par l'association d'une protéine prion capable de s'auto-assembler en fibre et d'une métalloprotéine, une rubrédoxine, capable d'effectuer des transferts d'électrons. Comme montré par des techniques de microscopies et de spectroscopies (absorbance UV-visible et RPE), la protéine chimère est capable de former des fibres à la surface desquelles on retrouve les rubrédoxines. Les propriétés électroniques des nano-fils ont été caractérisées par des mesures courant-tension sur des échantillons secs et par électrochimie. Les mesures courant-tension ont montré que la conduction se faisait par plusieurs mécanismes. Les acides aminés aromatiques présents au centre du domaine prion semblent impliqués dans un des mécanismes de conduction. Les mesures électrochimiques ont quant à elles montré une conduction par sauts entre rubrédoxines. De plus, nous avons utilisé les nano-fils comme interface entre une enzyme, la laccase, et une électrode. Un courant électrocatalytique dû à la réduction de l'oxygène a été obtenu prouvant ainsi la capacité de nos nano-fils à agir comme médiateurs d'électrons. Les nano-fils conducteurs faits de protéines sont une structure intéressante pour comprendre le transport de charges dans les systèmes biologiques et sont également très prometteurs pour le développement de la bioélectronique et plus particulièrement de biocapteurs et de biopiles enzymatiques


  • Résumé

    The discovery of bacterial nanowires able to transport electrons on long range within biofilms and transfer them to electrodes is very promising for the development of bioelectronics and bio-electrochemical interfaces. However, their assembling process, their molecular composition and the electron transport mechanism are not fully understood yet. We took inspiration from bacterial nanowires to design conductive protein nanowires. We fused the sequence of a rubredoxin, an electron transfer iron-sulfur protein, to the sequence of HET-s(218-289), a prion domain that forms amyloid fibril by self-assembling under well-defined conditions. The resulting chimeric protein forms amyloid fibrils and displays redox proteins organized on the surface as shown by microscopy techniques and UV-Vis and EPR spectroscopy. Electron transfer mechanisms were studied in “dry state” current-voltage (I-V ) measurements and as hydrated film by electrochemistry. Dry state measurements allowed to evidence several conduction pathways with a possible role of aromatic residues in the conduction. Electrochemistry revealed electron transport by hopping between adjacent redox centers. This property allowed the use of our protein as mediator between a multicopper enzyme (laccase) and an electrode for electrocatalytic reduction of oxygen. These protein nanowires are interesting structures for the study of charge transport mechanisms in biological systems but are also very promising for the design of biosensors and enzymatic biofuel cells.

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