Nanomatériaux fluorescents pour l'imagerie et la détection en biologie : application à la bactérie E.coli

Fluorescent Nanomaterials for Bioimaging and Biosensing : Application on E.coli Bacteria

• Auteur / Autrice : Yang Si
• Direction : Rachel Méallet-Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/09/2015
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires
• Jury : Président / Présidente : Romain Briandet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachel Méallet-Renault, Romain Briandet, Niko Hildebrandt, Marie Erard, Bianca Sclavi, Gilles Clavier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Niko Hildebrandt, Marie Erard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Escherichia coli

Alliages de polymères

Imagerie en biologie

Mots clés libres

Imagerie en biologie

Détection en biologie

Nanométariaux fluorescents

Bioimaging

Biosensing

Fluorescent nanomaterials

Résumé

Les bactéries sont les organismes les plus abondants dans le monde. Des études sur les bactéries peuvent être bénéfiques pour la recherche médicale, la qualité des ressources en eau et l'industrie alimentaire. La détection et le marquage fluorescent est une des méthodes les plus utilisées pour des objectifs bioanalytiques. Dans la recherche de marqueurs luminescents et stables, des nouvelles nanoparticules fluorescentes et auto-stabilisées à base de polymères (FNPs, 60 nm) et des chaînes de polymères fluorescents (FPCs, 5nm) ont été développées. Dans un premier chapitre, une méthodologie pour insérer ces FNPs dans la bactérie E.coli a été développée. Pour contrôler si les FNPs sont en effet internalisé, nous avons développé un protocole basé sur l'extinction de luminescence des FNPs par le bleu de méthylène. Dans un second chapitre, les biotines conjuguées de FNPs peuvent être utilisées pour étudier les protéines membranaires spécifiques. En utilisant un lien streptavidine-biotine, un ''sandwich'' est formé pour construire un pont entre des particules, des anticorps spécifiques et des bactéries. Les images de fluorescence SPR et les images SEM ont démontré l'interaction de la biotine conjuguée de FNPs avec la bactérie E.coli. Dans un troisième chapitre, les chaînes de polymères fluorescents de couleur verte (GFPCs) peuvent facilement entrer dans des bactéries E.coli. Les GFPCs peuvent marquer le cyctoplasme mais pas l'ADN. Les chaînes de polymères fluorescents de couleur rouge (RFPCs) peuvent marquer facilement et efficacement la membrane de bactérie E.coli. Les deux FPCs sont extrêmement brillantes et non toxiques, les chaînes sont solubles dans l'eau. Ce sont de nouveaux matériaux fluorescents pour le marquage interne et externe des bactéries. Dans le dernier chapitre, il est démontré que les FANPs sont sensibles au pH et peuvent être utilisées pour mesurer la croissance de la bactérie E.coli. Les nano-objets détectent rapidement et précisément la croissance des cellules. En effet, leur fluorescence est sensible au changement de pH résultant du métabolisme cellulaire. De plus, ces particules permettent une surveillance en continu d'un grand nombre d'échantillons pour des applications de criblage à haut débit. Les nanomatériaux présentés dans ce manuscrit sont des outils prometteurs pour les applications en biocapteurs et bioimagerie en raison de leur luminosité/brillance et photostabilité élevées ainsi que les possibilités de post-fonctionnalisation.

Bacteria are the most abundant organisms in the world. Investigations and studies on bacteria can be beneficial to medical research, water resources research and food industry. Fluorescent sensing and labeling are commonly used for bioanalytical purposes. In the quest for very bright and stable labels, novel polymer-based, self-stabilized, fluorescent nanoparticles (FNPs, 60 nm) and fluorescent polymer chains (FPCs, 5 nm) have been developed. In the first part, a methodology to insert these FNPs into E.coli bacteria was developed. To control if the FNPs are indeed internalized, we developed a protocol based upon FNPs luminescence quenching by methylene blue. In the second part, a ''sandwich'' system is built. By using a streptavidin-biotin link, a bridge between particles (FNP), specific antibodies and bacteria is built. SPR, fluorescent images and SEM images demonstrated the interaction of biotin conjugated FNPs with E.coli bacteria. In the third part, interactions of fluorescent polymer chains with bacteria are investigated. Green fluorescent polymer chains (GFPCs) can easily enter into E.coli bacteria. GFPCs can label the cytoplasm but not the DNA. Red fluorescent polymer chains (RFPCs) can label the membrane of E.coli bacteria easily and efficiently. Both FPCs are highly water-soluble, bright and non-toxic, they are novel fluorescent labels for internal and external biological labeling of bacteria. In the last part, it is demonstrated that pH sensitive FANPs can be used to measure the growth of E.coli. They detect rapidly and accurately bacterial growth by signaling the change of pH resulting from cellular metabolism. Moreover, these particles allow for continuous monitoring a large number of samples for high-throughput screening applications. The studied fluorescent nanomaterials are promising tools for biosensing and bioimaging applications due to their brightness, high photostability and rich functionalisation ability.