Minéralisation de phosphate de calcium d'inspiration biologique par approche enzymatique

Bio-inspired calcium phosphate mineralization through enzymatic approach

• Auteur / Autrice : Jihye Lee
• Direction : Jessem Landoulsi, Clément Guibert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité de surface (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : David Carrière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Audrey Beaussart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Guyot, Fouzia Boulmedais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphatase alcaline

Collagène

Enzymes

Phosphates de calcium

Minéralisation (biologie)

Mots clés libres

Biominéralisation

Enzymes

Collagène

Phosphate de calcium

Microscopie à force atomique

Multicouches

Biomineralization

Enzymes

Collagen

Calcium phosphate

Atomic force microscopy

Multilayers

Résumé

La biominéralisation du phosphate de calcium (CaP) est le processus par lequel un organisme construit des tissus minéralisés durs, tels que l'os, l'émail et le cartilage calcifié. Ce processus est régulé par divers facteurs physico-chimiques et réactions biochimiques, impliquant en particulier les vésicules matricielles (VMs). Les VMs sont de petits corps sphériques enrichis de transporteurs membranaires et d'enzymes, en particulier la phosphatase alcaline (PAL). Cette étude porte sur la minéralisation du CaP assistée par des enzymes et plus particulièrement sur le rôle des vésicules matricielles. L'étude a été menée sur deux systèmes différents : (i) la phase homogène, dans laquelle les enzymes sont présentes dans la même phase que les substrats des enzymes et des ions calcium et (ii) la phase hétérogène, dans laquelle l'PAL est immobilisée à la surface. La minéralisation assistée par enzyme est étudiée en modulant l'activité catalytique de l'PAL suivie de l'ajout d'un ion divalent en phase homogène. Les paramètres cinétiques liés à la nucléation et à la croissance des minéraux ont été mesurés en utilisant des mesures de diffusion de la lumière en temps réel. La minéralisation assistée par l'enzyme sur la surface s'est produite près des fibrilles de collagène. La minéralisation des collagènes a été principalement étudiée à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM) qui a examiné la minéralisation intra- et extra-fibrillaire des collagènes. Cette étude contribuera à la compréhension de la minéralisation du CaP in vivo au-delà de la précipitation chimique, car elle prend en compte les biomolécules présentes dans les tissus qui se minéralisent. Elle peut être élargie en recrutant des protéines ou des enzymes différentes ou plus nombreuses afin de comprendre leurs interactions et leur impact sur le processus de minéralisation.

Biomineralization of calcium phosphate (CaP) is the process by which some organism builds hard mineralized tissues, such as bone, enamel and calcified cartilage. This process is regulated through various physicochemical factors and biochemical reactions, involving particularly matrix vesicles (MVs). MVs are small spherical bodies enriched with membrane transporters and enzymes, in particular alkaline phosphatase (ALP). This study investigates enzyme-assisted mineralization of CaP with a focus on the role of MVs. The study was conducted on two different systems: (i) the homogeneous phase, in which enzymes are present in the same phase as substrates of enzymes and calcium ions and (ii) the heterogeneous phase, in which ALP is immobilized on the surface. The enzyme-assisted mineralization is investigated by modulating the catalytic activity of ALP followed by the addition of a divalent ion in homogeneous phase. Kinetic parameters related to the nucleation and growth of minerals were measured using light scattering measurements in real-time. The enzyme-assisted mineralization on the surface occurred near collagen fibrils. The mineralization of collagens was mainly investigated using atomic force microscopy (AFM) which examined the intra- and extra-fibrillar mineralization of collagens. This study will contribute to the understanding of CaP mineralization in vivo beyond chemical precipitation as it considered the biomolecules present in mineralizing tissues. This can be further expanded by recruiting different or more proteins or enzymes to understand their interactions and their impact on the mineralization process.