NanoMOFs stimuli-répondants pour la conception de biocapteurs

par My-an Tran

Projet de thèse en Chimie des Matériaux

Sous la direction de Christian Serre, Pelta Juan et de Mathilde Lepoitevin.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux , en partenariat avec Institut des Matériaux Poreux de Paris (laboratoire) et de Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-09-2019 .


  • Résumé

    Le but de la thèse est de développer des nouveaux biocapteurs basés sur les matériaux hybrides poreux de la catérogie des Metal Organic Frameworks (MOF). Il existe une réalisation grandissante – notable dans le domaine du diagnostic et de la thérapeutique – que la quantité d'information contenue dans une molécule peut offrir une valeur exceptionnelle pour les étapes précoces de la détection de biomarqueurs relatifs à la manifestation de maladies. Pour atteindre cet objectif, des stratégies impliquant des molécules uniques ont été proposées, en termes de voies dépourvues de marqueurs, la détection nanopore a émergé en tant que l'une des méthodes les plus prometteuses. Cependant, la possibilité de contrôler finement les transports moléculaires en termes de vitesse de transport, résolution et rapport signal sur bruit est essentielle pour tirer entièrement profit de cette technologie. Ici, nous proposons une nouvelle solution à ces challenges. Les MOFs ont un potentiel certain dans les applications biomédicales, agissant comme des nouveaux matériaux de thérapeutique et/ou de diagnostic. Inspirés des canaux biologiques qui permettent le transport des ions ou molécules entre les milieux intra- et extra- cellulaires, nous répondrons à ces questions par l'utilisation des nanoMOFs dans un support solide. La première partie du projet visera à synthétiser et contrôler les tailles des nanoparticules de MOFs. Cela a deux obstacles. Le premier visera à développer de nouveaux protocoles de synthèses afin d'obtenir des particules de petite taille avec une dispersité faible. Le second visera à établir des ensembles de conditions pour la fonctionnalisation post-synthèse de leur surface, basée sur différentes interactions chimiques, pour obtenir des nanoparticules stabiles et sans agrégation en solution physiologique. Le but sera de modifier les propriétés et tailles de ces particules de MOFs tout en conservant la cristallinité et la porosité du composé. La caractérisation avancée des MOFs fonctionnalisés est cruciale pour confirmer que la structure et les propriétés des MOFs sont conservés. La deuxième partie du projet sera de tester une nouvelle approche pour la détection en temps réel de molécules cibles à l'échelle unique. L'idée de conduire une biomolécule unique à travers la porosité contrôlée d'un MOF, de telle sorte à ce que ses constituants soient forcés à passer dans un ordre séquentiel, qui seraient identifiés. Par l'utilisation de nanoMOFs, nous espérons obtenir des outils biomimétiques stimuli-répondants, pour éviter le phénomène d'adsorption non-spécifique, et d'étudier les propriétés de transport. Par conséquent, cette méthode d'analyse en temps réel permet de prévoir une vaste étendue d'applications permettant de discriminer des cibles (acides aminés, protéines, médicaments, etc.) dans un mélange complexe, en un minimum d'étapes. Si l'idée paraît relativement simple, il est essentiel d'approfondir la recherche multidisciplinaire dans les domaines de la biologie, de la chimie et de la physique. Les MOFs ont un immense potentiel en tant que biocapteurs nanopores, nous espérons démontrer leur avantages en terme de versatilité, par rapport à d'autres candidats de nanomatériaux utilisés en instrumentation nanopore pour la détection de molécule unique.

  • Titre traduit

    Stimuli-responsive nanoMOFs to develop biosensors


  • Résumé

    The aim of the thesis is to develop new biosensors based on hybrid porous material from the Metal Organic Frameworks (MOFs) types. There is a growing realization, especially within the diagnostic and therapeutic community, that the amount of information enclosed in a single molecule can offer exceptional value for early stage biomarker detection of disease onset. To this end, numerous single molecule strategies have been proposed, and in terms of label-free routes, nanopore sensing has emerged as one of the most promising methods. However, being able to finely control molecular transport in terms of transport rate, resolution, and signal-to-noise ratio is essential to take full advantage of this technology. Here we propose a novel solution to these challenges. MOFs have potential in biomedical applications, acting as new therapeutic and/or diagnostic materials. Inspired by biological channels that allow the transport of ions or molecules between intra- and extra-cellular media, we will address those questions by the use of nanoMOF in a solid support. The first part of the project will aim at synthesize and control the sizes of the MOFs nanoparticles. This has two main challenges. The first, will be to develop new synthesis protocols to obtain even smaller particles with low dispersity. The second, will be to establish sets of conditions for post-synthetic functionalization of their outer surface, based on different chemical interactions, to have those nanoparticles stable and with no aggregation in our physiological solutions. The aim will be to modify the properties and size of the MOFs particles while still keeping the crystallinity and porosity of the compound. The advanced characterization of the functionalized nanoMOFs, is crucial to confirm that nanoMOF structure and properties are kept. The second part of the project will be to test a new approach for biomacromolecules sensing. We will combine nanoMOFs, and a single solid state nanopore, to develop new tools for real-time detection of target molecules at the single molecule level. The basic idea is to drive a single biomolecule through a MOF controlled porosity that forces its constituents to pass in sequential order, and then would be identified. Using the nanoMOFs we hope to obtain biomimetic stimuli-responsive tools, to avoid unspecific adsorption and to study transport properties. Thus, this real-time analysis method allows to foresee a wide range of applications to be able to discriminate the targets (amino-acid, proteins, drugs, etc.) of a complex mixture in a minimum of preparation steps. Although the idea seems relatively simple, it is essential to deepen multidisciplinary research in the fields of biology, chemistry and physics. MOFs have great potential as nanopore biosensors, we hope to demonstrate their versatile advantages over other candidates of nanopore-sensory nanomaterials for single molecule detection.