Matrices nanoporeuses pour la détection de métabolites volatils microbiens par transduction optique directe

Nanoporous materials for the detection of volatile microbial metabolites with direct optical transduction

• Auteur / Autrice : Marjorie Vrignaud
• Direction : Isabelle Texier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie
• Date : Soutenance le 10/11/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/LETI/DTBS/Service Bio System-on-Chip - LCMI - Service Bio-System on Chip
• Jury : Président / Présidente : Didier Delabouglise
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Texier- Nogues, Pierre Marcoux, Jérôme Pourtau, Tran- Thi Thu- Hoa, Frédéric Mallard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thibaud Coradin, Abdelhamid Elaissari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sulfure d'hydrogène

Matériaux poreux

Matériaux

Bactéries

Mots clés libres

Sol-Gel

Transduction optique

Composés organiques volatiless (COV)

Détection de bactéries

Sulfure d’hydrogène

2-Nitrophénol

Sol-Gel

Optical transduction

Volatile organic compounds (VOC)

Bacteria detection

Hydrogen sulfide

2-Nitrophenol

Résumé

La présence de microorganismes peut être révélée par des métabolites volatils caractéristiques. Cette approche est particulièrement intéressante pour la détection non-invasive de pathogènes dans des échantillons complexes comme les matrices alimentaires, les échantillons sanguins, ou encore les plaies chroniques. Des capteurs nanoporeux à grande surface spécifique ont été préparés par voie sol-gel (xérogels) ; leur rôle est à la fois de capturer, concentrer et permettre une détection optique des Composés Organiques Volatils (COV) microbiens. Des capteurs dopés avec une molécule sonde, l'acide 5,5′ dithiobis 2 nitrobenzoïque, ont été développés pour mettre en évidence le sulfure d'hydrogène (H2S) produit par Salmonella, un pathogène d'intérêt dans le domaine de l'agroalimentaire. La capture d'H2S provoque un changement de couleur du capteur dès 5 ppm. Une partie du travail de recherche porte également sur la détection de métabolites dits « exogènes », libérés suite à l'hydrolyse d'un substrat enzymatique. C'est alors l'activité enzymatique qui est spécifique du micro-organisme ciblé. Deux COV exogènes sont envisagés : la β naphthylamine (β NA) et le 2 nitrophénol (2 NP). La première est issue d'activités enzymatiques peptidases, le second est issu d'activités glycosidases ou estérases. Pour ce dernier, une détection directe est possible dès 14 ppb grâce à son absorbance intrinsèque dans le visible. Après un travail sur la composition chimique des xérogels, une mise en forme originale par moulage des gels en forme de coin de cube permet une lecture de l'absorbance des xérogels en réflexion. Enfin, les capteurs obtenus ont été testés vis-à-vis de COV générés par 3 pathogènes: Salmonella, Escherichia coli et Staphylococcus aureus dans des matrices complexes (sang et échantillons alimentaires).

The presence of micro-organisms can be revealed by specific volatile metabolites. This approach is interesting for the non-invasive detection of pathogenic species in complex samples, such as food, blood or exudate. Nanoporous materials developing a high surface area have been prepared by sol-gel process (xerogels). They trap, concentrate and reveal the presence of microbial Volatile Organic Compounds (VOC) by means of an optical detection. Sensors have been doped with a probe molecule (5,5′ dithiobis 2 nitrobenzoic acid) in order to detect hydrogen sulfide emitted by foodborne pathogen Salmonella. The colour of sensor changes in the presence of 5 ppm of H2S. Another detection method is the use of enzymatic substrates which release exogenous VOCs. In this approach, the enzymatic activity is specific to the targeted pathogenic bacteria. Sensors have been developed for two exogenous VOCs: β naphthylamine (β NA) and 2 nitrophenol (2-NP). β NA is issued from peptidase activity, whereas 2 NP is produced by glycosidase or esterase activity. The latter can be detected above 14 ppb through absorbance in the visible region. The work focused both on the chemical composition of the xerogels and on their shape. After molding the xerogels into a trihedral prism (“corner reflector”), the absorbance can be easily monitored using the reflected light. VOCs produced by 3 pathogenic bacteria, Salmonella, Escherichia coli and Staphylococcus aureus, in complex media (blood and food samples) have been monitored with the obtained sensors.