Étude des interactions bactéries/nanoparticules à partir de nanoparticules hybrides cœur-coquille modèles en utilisant une nouvelle méthodologie basée sur des techniques de spectrométrie de masse et d'analyse de surface.

Study of bacteria/nanoparticles interactions using model hybrid core-shell nanoparticles through a new methodology based on mass spectrometry and surface analysis techniques

• Auteur / Autrice : Sergio Fernandez-Castillo Suarez
• Direction : Joachim Allouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 12/04/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Maria Soledad Goñi Urriza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joachim Allouche, Didier Léonard, Fayna Mammeri, Cécile Loudet-Courrèges, Mònica IGLESIAS JUNCà
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Léonard, Fayna Mammeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bactéries

Biodégradation

Spectrométrie de masse

Environnement

Nanoparticules

Mots clés libres

Bactéries

Spectrométrie de masse

Nanoparticules

ToF-SIMS

Gelatine

Biodégradation

Bacteria

Mass spectrometry

Nanoparticles

ToF-SIMS

Gelatin

Biodegradation

Résumé

Depuis plus d'une trentaine d'années, les nanosciences et les nanotechnologies connaissent un formidable essor en raison des propriétés uniques offertes par les nanomatériaux utilisés aujourd'hui dans de nombreuses applications industrielles et de multiples objets du quotidien.Toutefois, face à l'utilisation intensive de ces matériaux, l'ampleur de leur dissémination dans l'environnement et de leur impact sur le monde du vivant sont encore largement méconnus et doivent faire l'objet d'investigations approfondies. En particulier, l'influence des nanomatériaux sur les micro-organismes tels que les bactéries, leurs mécanismes d'interactions et leurs conséquences sur les écosystèmes et la santé humaine sont encore peu compris.Dans ce contexte, l'objectif de ce travail de thèse a été de mettre en œuvre et de développer une nouvelle méthodologie combinant l'utilisation de nanoparticules hybrides cœur-coquille modèles et un éventail de techniques de caractérisation complémentaires en spectrométrie de masse et spectroscopies de surface (ToF-SIMS, SP-ICP-MS, LC-ESI-MS, XPS, AES…) dans le but d'explorer les mécanismes d'interaction nanoparticules/bactéries à l'échelle nanométrique. Cette méthodologie a été appliquée à l'étude et à la mise en évidence de processus de biodégradations protéolytiques bactériennes à la surface de nanoparticules or/silice synthétisées et fonctionnalisées par des substrats organiques (gélatine, peptides).Dans un premier temps, notre approche a permis d'identifier et de localiser des espèces chimiques caractéristiques de la biodégradation de la gélatine servant de substrat pour des bactéries marines copiotrophes modèles de type Alteromonas macleodii. En particulier, l'identification couplée de peptides dans les surnageants et de signatures chimiques spécifiques à la surface des nanoparticules a pu être démontrée après interactions entre les protéases bactériennes et les nanomatériaux. Dans un second temps, des expérimentations préliminaires visant à étendre notre méthodologie à d'autres substrats tels que des peptides spécifiques de la protéase de la membrane externe OmpT d'Escherichia coli ont été initiées.Des premiers travaux mettant en évidence l'interaction directe des nanoparticules avec la surface de la membrane bactérienne ont également été réalisés. Cette approche vise à quantifier par l'intermédiaire du cœur d'or, utilisé comme marqueur métallique, le nombre moyen de nanoparticules interagissant avec une cellule bactérienne.

In the last three decades, nanoscience and nanotechnology have experienced tremendous growth due to the unique properties offered by nanomaterials used today in a lot of industrial applications and many everyday objects.However, given the intensive use of these materials, the extent of their dissemination in the environment and their impact on the living world are still largely unknown and need to be thoroughly investigated. In particular, the influence of nanomaterials on microorganisms such as bacteria, their mechanisms of interactions and their consequences on ecosystems and human health are still poorly understood.In this context, the objective of this work was to implement and develop a new methodology combining the use of model hybrid core-shell nanoparticles and a range of complementary characterization techniques in mass spectrometry and surface spectroscopy (ToF-SIMS, SP-ICP-MS, LC-ESI-MS, XPS, AES...) in order to explore the mechanisms of nanoparticles/bacteria interaction at the nanoscale. This methodology has been applied to the study and the demonstration of bacterial proteolytic biodegradation processes on the surface of synthesized gold/silica nanoparticles functionalized by organic substrates (gelatin, peptides).In a first stage of investigations, our approach allowed the identification and localization of chemical species characteristic of the biodegradation of gelatin used as a substrate for Alteromonas macleodii, copiotrophic model marine bacteria. In particular, the coupled identification of peptides in supernatants and specific chemical signatures at the surface of nanoparticles could be demonstrated after interactions between bacterial proteases and nanomaterials. In a second step, preliminary experiments aimed at extending our methodology to other substrates such as peptides specific to Escherichia coli outer membrane protease OmpT were initiated.Some first works highlighting the direct interaction of nanoparticles with the surface of the bacterial membrane have also been carried out. This approach aims to quantify the average number of particles per bacterial cell using the gold core as a metal label.