Hydrogels d'ADN inspirés des vitrimères avec une dynamique contrôlable

Vitrimer-inspired hydrogels made of DNA with tunable dynamics

• Auteur / Autrice : Pierre Le Bourdonnec
• Direction : Luca Cipelletti, Rémi Merindol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Soutenance le 21/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Barentin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lourdes Mónica Bravo Anaya
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitris Vlassopoulos, Rachel Auzély-Velty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrocolloïdes

Rhéologie

Mutation (biologie)

Mots clés libres

Adn

Rhéologie

Mécanophores

Hydrogels

Dynamiques

Hydrogels

Mecanophores

Rheology

Dna

Dynamics

Résumé

Cette thèse a pour but de décrire et expliquer l'impact des réorganisations sur les propriétés mécaniques des hydrogels supramoléculaires. En particulier, ce projet est focalisé sur l’analyse des mécanismes d'échanges dissociatifs et associatifs sur le même hydrogel d'ADN. De plus, nous essayons de rationaliser comment les contraintes appliquées à l’échelle macroscopique se propagent aux unités moléculaires du réseau, comment elles déforment la structure de l’hydrogel et comment elles le fracturent.Nous avons conçu un hydrogel d'ADN dans lequel nous avons programmé une réaction de “toehold- mediated strand displacement” qui permet un échange associatif à basse température. Nous avons étudié les hydrogels d'ADN dynamiques à travers des tests en rhéologie couplés à une analyse cinétique par spectroscopie de fluorescence ainsi que de multiples méthodes d'imagerie/microscopie de fluorescence.Nous avons développé une méthode performante de synthèse et d’assemblage d’ADN pour produire suffisamment de matière pour réaliser des expériences de rhéologie macroscopique sur des hydrogels d’ADN. Nous avons exploité l’amplification circulaire roulante, la chimie enzymatique ainsi que la microfiltration pour synthétiser de l’ADN simple brin long et pur, en séquence contrôlée. Nous avons optimisé les tests de rhéologie pour obtenir des mesures précises du module de stockage et de perte sur des petits échantillons, avec un contrôle précis de la température et une reproductibilité entre les expériences. Cela nous a permis d'effectuer une caractérisation mécanique approfondie des propriétés clés des hydrogels d'ADN dans les régimes linéaires et non linéaires.Nous avons étudié le contrôle du temps de relaxation de l'hydrogel d'ADN en fonction du mécanisme de réorganisation. Nous avons démêlé l'impact respectif des mécanismes dissociatifs et associatifs sur la dynamique et les propriétés mécaniques des hydrogels d'ADN dynamiques par des expériences de rhéologie en faisant varier la température. Finalement, nous avons montré que le “toehold-mediated strand displacement” permet un contrôle efficace du temps de relaxation de l'hydrogel d'ADN sur 4 ordres de grandeur sans impacter leur ténacité, ce qui est impossible à faire avec les hydrogels d'ADN dissociatifs conventionnels. Afin de rationaliser la thermodynamique des mécanismes d'échange se produisant dans le gel, nous avons réalisé des expériences de “Time-Temperature Superposition” (TTS) sur des gels dans un rhéomètre et une analyse cinétique sur des brins en solution par spectroscopie de fluorescence. Nous avons proposé des profils d’énergie potentielle pour les mécanismes d'échange se produisant dans les hydrogels d'ADN afin d’expliquer les différents régimes enthalpiques observés en fonction de la température. Nous avons également montré les caractéristiques clés du système que nous avons conçu permettant un contrôle in situ du temps de relaxation avec des “blocking strands” ou le rétablissement de la force de l’hydrogel en une journée sans reformation par rampe de température.Enfin, nous présentons un outil que nous avons développé pour effectuer simultanément des mesures de contrainte et de déformation dans une cellule de cisaillement transparente avec de l’imagerie en temps réel en fluorescence sur deux longueurs d'onde d'émission différentes. Nous avons calibré les mesures de contrainte et de déformation permettant une étude rhéologique précise. Nous avons également établi une relation d'étalonnage entre stress et fluorescence permettant une estimation locale du stress par des mesures de fluorescence. Ces travaux ouvrent la voie à la caractérisation en temps réel de sondes mécaniques en fluorescence adaptées aux contraintes impliquées dans les mécanismes cellulaires.

In this thesis, we investigate the influence of reorganization mechanisms on the mechanical properties of supramolecular hydrogels. Specifically, we focus on the characterization of dissociative and associative exchange mechanisms on DNA hydrogels. We try to rationalize how stress applied at the macroscopic scale spreads to the molecular units of the networks, how it deforms the structure of the hydrogel, and how it breaks it in the case of dynamic networks.We designed DNA hydrogels in which we programmed a toehold-mediated strand displacement reaction that allows for an associative exchange at low temperatures. We study dynamic DNA hydrogels through rheological experiments coupled with kinetic analysis by fluorescence spectroscopy and multiple fluorescence imagery/microscopy methods.We developed an efficient method of DNA synthesis and assembly to produce enough material to perform macroscopic rheology experiments on DNA hydrogels. We exploited Rolling Circle Amplification, enzymatic chemistry, and microfiltration to synthesize pure sequence-controlled single-strand concatemers of DNA. We optimized the rheology experiments to obtain accurate measurements of the storage and loss modulus on small samples, with precise temperature control, and reproducibility between tests. This allowed us to perform an extensive mechanical characterization of the key properties of DNA hydrogels in the linear and non-linear regimes.We characterized the control of the relaxation time of DNA hydrogels as a function of the reorganization mechanism. We investigated the respective impact of the dissociative and associative mechanisms on the dynamics and mechanical properties of dynamic DNA hydrogels by rheology experiments by varying temperature. Eventually, we showed that toehold-mediated strand displacement allows for efficient control of the relaxation time of DNA hydrogels over 4 orders of magnitude without impacting their toughness, which is impossible with conventional dissociative DNA hydrogels. To characterize the thermodynamics of the exchange mechanisms occurring in the gel we performed Time Temperature Superposition experiments on gels in a rheometer and kinetic analysis on diluted strands in fluorescence spectroscopy. We proposed energy landscapes for the exchange mechanism occurring in the DNA hydrogels to rationalize the different enthalpic regimes observed depending on temperature. We also showed key features of the system we designed allowing in situ control of the relaxation time with blocking strands or significant strength recovery in a day.At last, we developed a quantitative setup to observe stress at the molecular scale using fluorescent force probes. The tool presented allows us to perform real-time stress and strain measurements simultaneously with fluorescence imagery in a transparent shear cell. We calibrated the stress and strain measures allowing accurate rheometry. We also established a calibration relation between stress and fluorescence allowing for local stress estimation by fluorescence measurements. This work paves the way to real-time characterization of mechanical probing in fluorescence suited for stresses involved in cell mechanics.