Caractérisation des propriétés nanomécaniques des membranes lipidiques biologiques avec microscopie à force atomique mode circulaire

Characterization of nano-mechanical properties of biological lipid membranes with circular mode atomic force microscopy

• Auteur / Autrice : Risa Nurin Baiti
• Direction : Karim El Kirat-Chatel, Pierre-Emmanuel Mazeran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 28/11/2017
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscosité

Tribologie (technologie)

Frottement

Biomécanique

Nanotechnologie

Microscopie à force atomique

Phospholipides

Membrane cellulaire

Membranes (biologie)

Membranes lipidiques

Mots clés libres

Mode circulaire AFM

Bicouches lipidiques supportées (SLB)

Propriétés nanomécaniques

Cell membranes

Nano-mechanical properties

Lipid membranes

Biomechanics

Atomic force microscopy (AFM)

Friction

Tribology

Viscosity

Résumé

Les membranes cellulaires sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires : la diffusion des médicaments et des ions, la transduction des signaux, la génération d'énergie, le développement cellulaire (fusion et fission). Les bicouches phospholipides sont les principaux composants des membranes cellulaires, elles constituent une barrière dynamique protégeant les réactions biochimiques cellulaires. La détermination des propriétés biochimiques et mécaniques des bicouches lipidiques et leur évolution avec les conditions environnementales est nécessaire pour étudier la nature des processus cellulaires et l'influence des agents externes (résistance mécanique, perméabilité et réponse biologique). Pour mener de telles caractérisations, des modèles simplifiés de membrane biomimétique, tels que des bicouches lipidiques supportées (SLB), ont été développés. Parmi les techniques de caractérisation disponibles, la microscopie à force atomique (AFM) a été largement utilisée pour étudier l'organisation nanométrique des SLB dans des conditions physiologiques. AFM peut produire des images à la haute résolution et peut également être utilisé pour quantifier la résistance mécanique des SLB au moyen d'expériences de perforation. Pendant 30 ans, AFM a traversé de nombreux développements. Très récemment, le Mode circulaire AFM (CM-AFM) a été développé à l'Université de Technologie de Compiègne. CM-AFM est capable de générer un mouvement de glissement de la pointe AFM sur l'échantillon à une vitesse élevée, constante et continue et de mesurer les forces de frottement latéral rapidement et exactement simultanément avec les forces verticales. Pour la première fois, le CM-AFM sert à caractériser les échantillons biologiques dans des conditions physiologiques, ce qui permet de mesurer simultanément les forces de poinçonnage et de frottement en fonction de la vitesse de glissement. Il offre pour la première fois la capacité de décrire le comportement de friction des SLB en complément de la force de perforation. En raison du besoin important de mesure quantitative, l'optimisation du protocole CM-AFM a été effectuée en premier. Le protocole d'étalonnage du scanner a été établi avec succès pour assurer la précision de la vitesse de glissement. En outre, le protocole d'étalonnage des pointes, basé sur la méthode de Wedge et un échantillon rayé, est également conçu pour déterminer la constante d'étalonnage de la force latérale. Nous avons utilisé CM-AFM pour mesurer les propriétés tribologiques des échantillons solides pour améliorer l'équipement sous milieu liquide. Ensuite, les propriétés mécaniques (forces de poinçonnage et de frottement) des SLB ont été mesurées en fonction de la vitesse de glissement. Les SLB purs et mixtes ont été préparés par la méthode de fusion des vésicules. Différents médias ont également été utilisés pour étudier l'effet des cations monovalents sur les propriétés mécaniques des SLB. Dans tous les cas, la force de frottement augmente linéairement avec la vitesse de glissement, ce qui nous permet de déduire le coefficient visqueux de frottement. Comme prévu, la force de poinçonnage et le coefficient visqueux de frottement sont influencés par la composition des mélanges de lipides, par la nature des cations en milieu liquide et par la longueur des chaînes hydrocarbonées mais pas de manière similaire. L'interprétation de l'évolution du coefficient de force de frottement visqueux avec le système étudié est particulièrement délicate car la force de frottement pourrait être influencée par les propriétés d'interface ou de volume. Cette problématique sera le défi pour les prochaines études. Néanmoins, nos résultats illustrent la puissance de la technique CM-AFM et ouvre de nombreuses possibilités pour caractériser d'autres échantillons biologiques (cellules et tissus) afin de mieux comprendre les mécanismes élémentaires de friction.

Cell membranes are involved in many cellular processes: drugs and ions diffusion, signal transduction, energy generation, cell development (fusion and fission). Phospholipid bilayers are the main components of cell membranes, they act as a dynamic barrier protecting cellular biochemical reactions. The determination of biochemical and mechanical properties of lipid bilayers and their evolution with environmental conditions is necessary to study the nature of cellular processes and the influence of external agents (mechanical resistance, permeability, and biological response). To conduct such characterizations, simplified biomimetic membrane models, such as supported lipid bilayers (SLBs), were developed. Among the available characterization techniques, atomic force microscopy (AFM) has been widely used to study the nanoscale organization of SLBs under physiological conditions. AFM can yield high resolution images and it can also be used to quantify the mechanical resistance of SLBs by means of punch through experiments. For 30 years, AFM has been through many developments. Very recently, the Circular Mode AFM (CM-AFM) has been developed at the Université de Technologie de Compiègne. CM-AFM is able to generate a sliding movement of the AFM tip on the sample at high, constant and continuous velocity and to measure the lateral friction forces fast and accurately simultaneously with the vertical forces. For the first time CM-AFM is used to characterize biological samples under physiological conditions, allowing the simultaneous measurement of both the punch-through and the friction forces as a function of the sliding velocity. It offers for the first time the ability to describe the friction behavior of SLBs in complement of the punch-through force. Due to the important need for quantitative measurement, optimization of the CM-AFM protocol has been done first. Protocol of scanner calibration has been successfully established to ensure the accuracy of sliding velocity. Besides, the protocol for tip calibration, based on wedge method and a scratched sample, is also made to determine the lateral force calibration constant. We have employed CM-AFM to measure the tribological properties of solid samples to improve the equipment under liquid medium. Then, the mechanical properties (punchthrough and friction forces) of SLBs were measured as function of the sliding velocity. Pure and mixed SLBs were prepared by the vesicle fusion method. Various media were also used to study the effect of monovalent cations to the mechanical properties of SLBs. In all cases, the friction force increases linearly with the sliding velocity allowing us to deduce the friction viscous coefficient. As expected both the punchthrough force and the friction viscous coefficient are influenced by the composition of lipid mixtures, by the nature of cations in liquid medium, and by the length of hydrocarbon chains but not in a similar fashion. The interpretation of the evolution of the viscous friction force coefficient with the studied system is particularly tricky as the friction force could be influenced by interface or volume properties. This problematic will be the challenge for the next studies. Nevertheless, our results illustrate how powerful the CM-AFM technique is and it opens wide opportunities to characterize other biological samples (cells and tissues) to gain a better understanding of the elementary mechanisms of friction.