Interaction des composants de la paroi cellulaire végétale : vers un système de modèle bio-inspiré

Interaction of plant cell wall building blocks : towards a bioinspired model system

• Auteur / Autrice : Yotam Navon
• Direction : Laurent Heux, Anne Bernheim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique moléculaire et structurale
• Date : Soutenance le 08/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Ben-Gurion university of the Negev
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches sur les macromolécules végétales (Grenoble ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Maréchal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Heux, Anne Bernheim, Alexis Peaucelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Berret, Karine Glinel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie biomimétique

Peroxydation lipidique

Mots clés libres

Membrane lipidique

Cellulose

Interaction

Paroi primaire

Biomimétique

Lipid membrane

Cellulose

Interaction

Plant primary cell wall

Biomimetics

Résumé

L'objectif de ce travail était de développer un modèle in vitro de la paroi primaire des plantes. Une approche ascendante a été choisie pour la conception rationnelle de constructions 2D et 3D faites d'une membrane lipidique, de nanocristaux de cellulose (CNC) et de xyloglucane (XG). Tout d'abord, l'interaction entre les blocs de base a été examinée à l'aide de la diffusion de la lumière, la calorimétrie de titrage isotherme, la microbalance à quartz et la microscopie électronique, révélant tout d'abord la nature électrostatique de l'interaction entre les CNC et une membrane lipidique ainsi qu'une interaction spécifique entre les CNC et XG dans un rapport stoechiométrique précis. Par la suite, les paramètres optimisés des études d'interaction ont été utilisés pour obtenir des structures 2D et 3D en déposant des couches alternées de CNC et XG sur des substrats plats (films multicouches) et des vésicules unilamellaires géantes (GUV). Une croissance linéaire des films a été révélée par les expériences de microscopie à force atomique (AFM), tandis que la réponse des vésicules décorées aux chocs osmotiques conduit à leur flambage en raison de la rigidification de la membrane lipidique. Enfin, les propriétés mécaniques des constructions ont été caractérisées en utilisant l’AFM par indentation, révélant un module d'Young de quelques centaines de kPa, similaire à celui observé pour de vraies parois cellulaires végétales.

The goal of this work was to develop an in vitro model of the plant primary cell wall. A bottom up approach was chosen for the rational design of 2D and 3D constructs made of a lipid membrane, cellulose nano crystals (CNCs) and xyloglucan (XG). First, the interaction between the building blocks was probed using light scattering, isothermal titration calorimetry, quartz crystal microbalance and electron microscopy, revealing firstly the electrostatic nature of the interaction between CNCs and a lipidic membrane and secondly, specific interaction between CNCs and XG in a precise stoichiometric ratio. Then, the optimal parameters from the interaction studies were used to obtain 2D and 3D structures by depositing alternating layers of CNCs and XG on flat substrates (multilayered films) and giant unilamellar vesicles (GUVs). A linear growth of the films was revealed by atomic force microscopy (AFM) experiments while the response of decorated vesicles to osmotic shocks lead to their buckling due to the rigidification of the lipid membrane. Finally, the mechanical properties of the constructs were characterized using AFM indentation, revealing a Young's modulus of few hundred kPa, similarly to what is observed for real plant cell walls.