Enhancing Förster resonance energy transfer at longer distances using metal nanostructures

• Auteur / Autrice : Mikhail Baibakov
• Direction : Jérôme Wenger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 23/09/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Centre de Biologie Structurale (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Margeat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manos Mavrakis, María García-Parajo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Mivelle, Guillermo Acuna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie entre molécules fluorescentes

Spectroscopie de fluorescence

Microscopie

Nanophotonique

Mots clés libres

Nanophotonique

Spectroscopie de correlation de fluorescence

Transfert d’énergie

Imagerie de durée de vie

Détection de molécules uniques.

Nanophotonics

Single-Molecule detection

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS)

Fluorescence lifetime imaging

Energy transfer

Résumé

Le transfert d'énergie de Förster (FRET) est la technique biophysique pour étudier la structure des biomolécules et les interactions au niveau des molécules isolées. FRET est le résultat de l'interaction dipole-dipole de deux molécules. Le but de la thèse est d'avoir détecté les interactions FRET dans les distances plus que 10 nanomètres. En effet, l'efficacité de FRET est le résultat de l'interaction de plasmons surfaces de métal et des molécules fluorescentes. On va étudier plusieurs interactions biologiques dans les nanostructures par le transfert d'énergie de Förster. Le transfert d’énergie de Förster est une technique de microscopie permettant l’étude de la structure de biomolécules et des interactions entre molécules isolées. Cette technique est définie comme une résultante de l’interaction dipole-dipole entre deux molécules. Le FRET étant une technique précise lorsque la distance intermoléculaire est inférieure à 10 nanomètres, l’objectif de cette thèse était de développer le FRET sur des distances entre molécules supérieures à cette limite. En effet, l’efficacité de FRET est le résultat de l’interaction entre les plasmons de surfaces des atomes métalliques et les molécules fluorescentes. Dans ce cadre, plusieurs systèmes biologiques ont été étudiés dans des nanostructures plasmoniques pour mesurer le transfert d’énergie de Förster

Single molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) is a major technique to measure biomolecular conformations and interactions. However, its range is limited to nanometer distances and nanomolar concentrations. The objective of this PhD thesis is to extend the applicability of smFRET using optical nanostructures such as aluminum nanoapertures to achieve long distance, biologically-relevant micromolar concentration and improved temporal resolution. In order to improve the single-molecule sensitivity of FRET measurements at longer distances, the classical FRET excitation scheme is improved using pulsed-interleaved excitation (PIE) of two molecules independently with 12.5 ns delay, i.e. one is using the green and red excitation lines at 557 and 633 nm, respectively. Therefore, the FRET pairs lacking donor and acceptor fluorophore, are excluded from post-analysis and the pic of the FRET efficiency close to zero is no longer present on the PIE-FRET histogram. Taking advantage of the interaction between surface plasmons of metal and fluorescent molecules, one can achieve the significant enhancement of fluorescence compared to diffraction-limited confocal microscope. Hence, the interaction between fluorophores can be mediated by metal nanostructure. Reducing drastically the observation volume down to zeptoliter volume (10-21 L), the single-molecule observations can be achieved with micromolar concentrations which is highly important for studying the interactions between macromolecules