Etude de l'intéraction nanoparticules-bactéries : application à l'élaboration d'un biocapteur

Study of the interactions between nanoparticles and bacteria : application in the design of a biosensor for bacteria detection

• Auteur / Autrice : Marion Mathelié-Guinlet
• Direction : Touria Cohen-Bouhacina, Marie-Hélène Delville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, matière et nanosciences
• Date : Soutenance le 17/10/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine - Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Durrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Touria Cohen-Bouhacina, Marie-Hélène Delville, Marie-Christine Durrieu, Magali Phaner-Goutorbe, Christian Marlière, Rose-Marie Sauvage, Laure Béven, Christine Grauby-Heywang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Phaner-Goutorbe, Christian Marlière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à force atomique

Toxicologie cellulaire

Polyélectrolytes

Bacillus subtilis

Escherichia coli

Biocapteurs

Nanoparticules de silice

Interactions nanoparticule-bactérie

Mots clés libres

Toxicité

Bactéries

Nanoparticules

Microscopie à force atomique

Biocapteur

Toxicity

Bacteria

Nanoparticles

Atomic force microscopy

Biosensor

Résumé

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL.

Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL.