Propriétés physico-chimiques uniques des fibres amyloïdes : de nouvelles perspectives pour les biomatériaux actifs ?

by Julien Hurtaud

Doctoral thesis in Physique pour les sciences du vivant

Under the supervision of Vincent Forge and Patrice Rannou.

defended on 14-06-2022

in Université Grenoble Alpes , under the authority of École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....) , in a partnership with Laboratoire de chimie et biologie des métaux (Grenoble) (laboratoire) .

Thesis committee President: Franz Brückert.

Thesis committee members: Jérémie Margueritat, Pascal Mailley.

Examiners: Christelle Hureau, Benoît Limoges.

keywords

• Proteins
• Biophysics
• Bioelectronics
• Bionanowires

Alternative Title

Emerging physical properties of amyloid fibres : Towards new perspectives for biomaterials

Abstract

Either resulting from misfolding or functional structuration, amyloid fibers are biological materials resulting from the self-assembling of identical proteins into unique one-dimensional ultra-high aspect ratio (>1000) nanowires. These fibrils are all different depending of the constituting protein but share common structural features well described in literature. Aside structure, amyloid-based materials gathered a lot of interest in the growing field of biomaterials, most particularly bioelectronics and biosensors. In this framework, we used a wide range of techniques, going from pure electrical characterization to large instrument X-Ray structural analysis in order to determine and characterize properties of several amyloid fibril materials. In this thesis, we highlighted three new and distinct macroscopic properties of α-lactalbumine amyloid fiber materials: generation of an open circuit voltage in high humidity environment, transformation of light polarization and generation of a long-term stable tryptophyl radical inducing red/magenta color in certain form of the material. Throughout exhaustive description of α-lactalbumine optical, “electrical” and structural micro and nanoscale features, we were able to enunciate hypothesis on how such exotic properties could arise in our amyloid fiber material. We show that most features are consequence of unusual high structuration of amyloid fibrils within the material, creating crystalline phases in the packed amyloid medium and more. This material-based study of amyloid fibril is quite unique in the literature, paving the way for future investigation of other amyloid properties that could be of use in the bioelectronic devices of tomorrow.

keywords

• Bionanofils
• Protéines
• Bioélectronique
• Biophysique
• Protéines
• Nanofils
• Bioélectronique
• Biophysique

Abstract

Conséquence d'un mauvais repliement ou d'une structure fonctionnelle, les fibres amyloïdes sont des objets biologiques crées à partir de l'auto-assemblage de protéines identiques en structures supramoléculaire ayant une très haut rapport longueur-diamètre (>1000). Ces nanofils sont évidemment différents par leur protéine constituantes mais partagent tout de même des structures similaires déjà bien décrites dans la littérature. Mis à part leur caractéristiques structurelles, les fibers amyloïdes gagnent également de plus en plus d'intérêt dans le domaine des biomatériaux, plus particulièrement pour la bioélectronique et les biocapteurs. Dans cette optique, nous avons utilisé une grande diversité de techniques, allant de la caractérisation électronique pure à l'utilisation de Grands Instruments pour des analyses structurales poussées. Cette thèse relate trois propriétés uniques de matériaux à base de fibres amyloïdes d'α-lactalbumine : la génération d'une tension en circuit ouvert à haute humidité, la modification de la polarisation de la lumière à travers le matériau et l'apparition de ce qui semblerait être un radical de tryptophane permanent dans un certain type de matériau. Par la description des caractéristiques optiques, structurelles et « électroniques » des fibres d'αLac, nous expliquons dans ce manuscrit comment de telles propriétés macroscopiques peuvent apparaitre. Entre autres, nous prouvons que ces particularités sont conséquences d'un fort alignement des nanofils dans le matériau, créant ainsi des phases cristallines en son sein. Ce genre d'étude est manquante dans la littérature des fibres amyloïdes et démontre à quel point de tels matériau peuvent avoir des propriétés inattendues qui pourrait être utile pour les nouveaux dispositifs en bioélectronique.