Auto-assemblage de protéines pour la bioélectronique : étude du tranport de charges dans les fibres amyloïdes

Protein self-assembly for bioelectronics : study of charges transport in amyloid fibers

• Auteur / Autrice : Anaëlle Rongier
• Direction : Vincent Forge, Patrice Rannou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 13/02/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie et biologie des métaux (Grenoble) - Systèmes moléculaires et nanomatériaux pour l’énergie et la santé (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Franz Brückert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giorgio Schiro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arianna Filoramo, Benoît Limoges

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioélectronique

Conduction électrique

Biomatériaux

Amyloïde

Mots clés libres

Bioélectronique

Nanofibre

Transport électronique

Semi-Conducteur organique

Systèmes modèles bioinspirés

Bioelectronics

Nanofiber

Electronic transport

Organic semiconductors

Bioinspired model systems

Résumé

Les fibres amyloïdes sont des biomatériaux prometteurs pour la bioélectronique, en particulier pour l’interfaçage avec les systèmes biologiques. Ces fibres, formées par l’auto-assemblage de protéines, sont aisément synthétisables et modifiables/fonctionnalisables. Elles possèdent de surcroît des propriétés physiques remarquables notamment en termes de stabilité et de résistance mécanique. Nous avons étudié les mécanismes de conductions de charges dans les fibres formées par la protéine HET-s(218-289), seules fibres amyloïdes dont la structure atomique soit connue. Les échantillons ont été caractérisés électriquement et électrochimiquement sous la forme de films « secs ». L’influence de plusieurs paramètres sur la conductivité, entre autres la température, l’humidité ou encore la lumière, a été investiguée. Nous avons montré que l’organisation de la protéine en fibres permet la mise en place de processus de transport de charges intrinsèques. De plus, l’eau joue un rôle essentiel dans ces mécanismes et les principaux porteurs de charges sont certainement des protons. En parallèle, une simulation de dynamique moléculaire appuyée notamment par des expériences de diffusions des neutrons, a mis en évidence une forte interaction entre l’eau et les fibres. Deux canaux d’eau stabilisés par liaisons hydrogènes se formeraient le long des fibres. Ces derniers peuvent permettre le transport de protons par un mécanisme de type Grotthuss. Des réactions électrochimiques, en particulier l’électrolyse de l’eau, seraient la source des protons transportés grâce aux fibres. Cela conduit à l’instauration d’un courant catalytique à partir d’un seuil de tension de polarisation. Enfin, deux effets photo-électriques ont été observés lorsque les fibres sont irradiées entre 200 et 400 nm. Le premier est un photo-courant qui serait dû à la photolyse de l’eau adsorbée dans les échantillons. Le second, qualifié de « photo-courant inverse », se produit plus spécifiquement à la longueur d’onde de 280nm et seulement en présence de dioxygène. Il engendre une diminution de la conductivité. Cela serait dû à une réaction entre l’état triplet des tryptophanes des fibres et le dioxygène, captant in fine des protons.

Amyloid fibers are very promising biomaterials for bioelectronics, especially for interfacing with biological systems. These self-assembled proteins fibers are easy to synthetize, to tune and to functionalize. Their physical properties such as stability and mechanical strength are noticeable. We studied charge transport processes in HET-s(218-289), the only amyloid fibers we know the atomic structure. The samples were characterized as “dried” films by electrical measurement and electrochemistry. The influence of several parameters such as temperature, humidity or light was investigated. We demonstrated that the fiber organization allows intrinsic charge transport mechanisms in which water plays a crucial role. Furthermore, the dominant charge carriers would be protons. Molecular dynamic simulation and neutron diffusion experiments run in parallel show strong water-fibers interactions. In particular, H-bonded water wires can be formed along the fibers and support proton transport according to a Grotthuss-like mechanism. Proton production would result from electrochemical reactions, especially from water electrolysis. Therefore a catalytic current is detected when the bias exceeds a certain threshold. In addition, two photoelectric phenomena were observed when the fibers are irradiated with near UV light (200-400nm). The first one is a photocurrent probably due to water photo-splitting. The other occurs specifically at 280nm wavelength and in the presence of molecular oxygen. It leads to a decrease of the sample conductivity. This likely results from chemical reaction(s) between triplet-state tryptophan and oxygen that consumes protons.