Analyse thermodynamique et rhéologique pour la conception rationnelle des gels d'ADN

Thermodynamic and rheological analysis for the rational design of DNA gels

• Auteur / Autrice : Hajar Ajiyel
• Direction : Hervé Guillou, Catherine Barentin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MCBT
• Jury : Président / Présidente : Sandra Lerouge
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luca Cipelletti, Isabelle Beurroies, Jean-louis Barrat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Luca Cipelletti, Isabelle Beurroies

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogels

Rhéologie

Calorimétrie

Adn

Matière molle

Nanotechnologie

Hydrogels

Rheology

Calorimetry

Dna

Soft matter

Nanotechnology

Résumé

L'ADN, reconnu comme porteur d'information génétique, est devenu un polymère de choix en matière molle, capable de créer des structures variées aux architectures intéressantes. Grâce à l'appariement Watson-Crick, les brins d'ADN peuvent être auto-assemblés pour former ces structures pouvant être compactes, organisées et nanoscopiques, tels les origamis d'ADN, ou moins structurées et couvrant des échelles plus larges, tels les hydrogels d'ADN. Nos travaux se focalisent sur ces derniers, qui ont un potentiel d'application dans divers domaines, allant du biomédical à l'environnement. Notre hydrogel d'ADN est composé de nanostars, formés à partir de n (généralement n=3 ou 4) courtes séquences d'ADN simple brin. Un nanostar a n bras avec des extrémités pendantes non appariées, appelées «sticky ends», servant à le relier à d'autres nanostars. À température élevée, l'ADN est dénaturé en brins simples, mais à basse température, les brins d'ADN s'hybrident en formant des doubles hélices, et les nanostars s'assemblent et subissent une séparation de phase en dessous d'une concentration critique. Au-dessus de celle-là, les nanostars d'ADN percolent et forment un hydrogel étendu dans l'espace. Notre objectif est d'explorer comment la conception des nanostars influence le comportement thermodynamique et rhéologique de l'hydrogel d'ADN qui en résulte, à plusieurs échelles, de la nano à la macro-échelle. Pour ce faire, nous étudions en détail un modèle d'hydrogel formé de nanostars en Y (n=3) avec des sticky ends de différentes longueurs (4, 6 et 8 paires de bases), par une approche multi-technique : par calorimétrie avec la calorimétrie différentielle à balayage et la calorimétrie de titration isotherme, et par rhéométrie avec la rhéologie de masse, l'aspiration par micropipette et des méthodes de diffusion dynamique de la lumière permettant d'effectuer de la microrhéologie. Nos résultats indiquent que les nanostars subissent une séparation de phase en ayant des formes distinctes selon la concentration initiale et la température de travail. Pour caractériser l'hydrogel résultant, des tests doivent être effectués dans la région du gel massif du diagramme de phase des nanostars. Les expériences de calorimétrie, dans la région de séparation des phases, révèlent la présence d'un excès significatif d'enthalpie et d'entropie. Dans les gels massifs, les résultats sont plus difficiles à interpréter, en raison d'un environnement encombré et hors d'équilibre. Les mesures DLS du gel montrent une apparition prématurée de la viscoélasticité à des températures élevées où les liaisons des sticky ends ont une courte durée de vie, appuyant ainsi les observations de la calorimétrie. Les tests oscillatoires indiquent qu'un gel correctement préparé se comporte comme un matériau de Maxwell, mais que lorsqu'il est trempé, il vieillit comme un verre solide. En régime non linéaire, on observe un comportement rhéofluidifiant. Le module d'Young obtenu à partir de tests d'aspiration par micropipette correspond aux valeurs de la rhéométrie. En combinant toutes ces méthodes, on obtient l'évolution de la viscosité de l'hydrogel sur six ordres de grandeur. L'étude d'autres motifs de nanostars a montré qu'une modification du motif, même légère, d'un nucléotide par exemple, modifie les propriétés rhéologiques macroscopiques du gel obtenu. Les variations de la longueur des sticky ends jouent un rôle important dans la modification de la température de travail, des modules mécaniques et du temps caractéristique de réarrangement et de cicatrisation après la rupture du gel. La longueur des bras affecte la rigidité du gel résultant. Nos résultats constituent une bonne base pour la physique des hydrogels de nanostars d'ADN et qu'ils contribueront à la conception rationnelle d'hydrogels d'ADN pour des applications spécifiques. Toutefois, des études plus poussées sont encore nécessaires pour comprendre les mécanismes de formation et la physique sous-jacente de ces hydrogels.

DNA, commonly known as the carrier for genetic information, has emerged in the soft matter community as an ideal polymer that can be used to create diverse structures with interesting architectures. DNA strands can be self-assembled thanks to the Watson-Crick base-pairing of the constituent bases to form these structures. There are structures that are compact, organized and nanoscopic like DNA origami, or less-structured but spanning larger scales like DNA hydrogels. Our research focuses on investigating the latter, which have promising applications across various fields: from biomedical applications to environmental ones. Our DNA hydrogel is composed of building blocks called nanostars, which are formed from n (typically n=3 or 4) short single stranded DNA sequences. A nanostar has n arms with unpaired dangling ends, called sticky ends, serving to connect it to other nanostars. At higher temperatures, DNA is denatured in a single stranded form, however when temperature is decreased, DNA strands hybridize into the famous double helix, and nanostars start assembling before undergoing a phase separation below a critical concentration. Above this critical concentration, the DNA nanostars percolate into a space-spanning hydrogel. Our objective is to explore how the design of these nanostars impacts the thermodynamic and rheological behaviour of the resulting DNA hydrogel, on multiple scales from nanoscale to macro scale. To achieve this, we investigate thoroughly one hydrogel design formed from Y shaped nanostars (n=3) with sticky-ends of different lengths (4, 6 and 8 base pairs), using a multi-technique approach: by calorimetry with differential scanning calorimetry and isothermal titration calorimetry, and by rheometry with bulk rheology, micropipette aspiration and dynamic light scattering methods to perform microrheology. Our results indicate that nanostars undergo phase separation to form distinct patterns depending on initial concentration and working temperature. To characterise the resulting hydrogel, tests should be conducted in the bulk gel region of the nanostars phase diagram. Calorimetry experiments, in the phase separation region, reveal the presence of a significant excess enthalpy and entropy. In bulk gels, results are more difficult to interpret, due to a crowded and out of equilibrium environment. DLS measurements of the bulk gel show early onset of viscoelasticity at high temperatures where the sticky-end bonds are short-lived, supporting calorimetry observations. Oscillatory tests indicate that a properly prepared gel behaves as a Maxwell material, but when it is quenched it ages as a strong glass. In the nonlinear regime, a shear thinning behaviour is observed. The Young modulus from micropipette aspiration tests aligns with bulk rheometry. Combining all rheometry methods gives the evolution of the hydrogel viscosity across six orders of magnitude. Investigation of other nanostar designs has shown that changing the design, even slightly by one nucleotide, for example, will change the macroscopic rheological properties of the resulting gel. Variations in the sticky ends length are especially prominent in changing the working temperature, the mechanical moduli and the characteristic time of rearrangement and healing after gel yielding. The length of the arms affects the stiffness of the resulting gel. We believe our findings give a good base to the physics of DNA nanostar hydrogels, and will contribute to the rational design of DNA hydrogels tailored for specific applications. However, further research is still needed to fully understand their formation mechanisms and underlying physics.