Etudes de nucléation de protéines à l'aide de dispositifs expérimentaux microfludiques

Study of protein nucleation with microfluidic devices

• Auteur / Autrice : Dimitri Radajewski
• Direction : Béatrice Biscans, Sébastien Teychené
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 13/10/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Veesler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Biscans, Sébastien Teychené, Stéphane Veesler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Veesler, Jean-Baptiste Salmon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Nucléation

Cristallisation

Mots clés libres

Cristallisation

Nucléation

Microfluidique

Crystallization

Nucleation

Microfluidics

Résumé

La nucléation est l’étape est à l’origine de la cristallisation et c’est généralement elle qui va dicter les propriétés finales d’un cristal. Il est alors intéressant de comprendre les mécanismes qui gouvernent cette étape. Deux théories se confrontent aujourd’hui avec d’une part la théorie classique de la nucléation et d’autre part un modèle de nucléation en deux étapes. La théorie classique considère l’addition des monomères un par un pour former des clusters directement cristallins. Le modèle en deux étapes considère une première étape de concentration, au cours de laquelle les monomères vont former des agrégats denses, mais désordonnés, et une seconde étape de structuration qui permettra de réarranger les molécules au sein d’un cluster, pour obtenir une structure cristalline. Il semblerait que, dans le cas des protéines, le passage du mécanisme classique à celui en deux étapes se fasse par une augmentation des fluctuations de concentration en solution, ce qui se fait en se rapprochant de la spinodale de décomposition présente dans le diagramme de phase de certaines protéines. Ainsi, dans cette étude, nous développons des systèmes microfluidiques qui permettent d’étudier ces différents mécanismes. Dans un premier temps, nous avons conçus un dispositif utilisé pour déterminer des cinétiques de nucléation à l’aide de modèles probabilistes. Ensuite, nous avons adapté des systèmes microfluidiques à des grands équipements synchrotron, ce qui donne la possibilité de réaliser de la diffusion de rayons X aux petits angles. Ces deux approches complémentaires permettent alors d’obtenir des informations à l’échelle macroscopique et à l’échelle microscopique, et ainsi de participer à l’éclaircissement des zones d’ombre qui demeurent autour des mécanismes de nucléation.

Nucleation is the first step of crystallization and is the step that will give the final properties of crystals. It is therefore interesting to understand the mechanisms of this step. Nowadays, two theories exist : the classical nucleation theory and the two step theory. In the classical nucleation theory, monomers are added one by one to directly form crystalline clusters. In the two step theory, there is a first step of densification, in which monomers form dense amorphous aggregates and a second step of structuration in which aggregates arrange themselves to form crystalline clusters. It seems that for proteins, the two step mechanism is obtained by an increase of concentration fluctuations in solution, that happens when experimental conditions get closer to spinodal decomposition. In this study, experimental microfluidic devices are developped to study these mechanisms. Firstly, we developped microfluidic devices to determine nucleation kinetics with probabilistic models. Then, we coupled microfluidic devices with small angle X rays scattering from synchrotron sources. These two complementary studies give information on nucleation mechanisms on the macroscopic and microscopic scales.