Golden Gates — Filtration biomimétique sélective et transport actif de macromolécules. Etude chimique, nanofluidique et optique

Dans une démarche pluridisciplinaire associant nanotechnologie, nanochimie et nanofluidique, nous proposons de fabriquer et d’étudier des filtres actifs, sélectifs et adaptatifs pour les protéines, les acides nucléiques et les polymères hydro-solubles en imitant la structure et le fonctionnement des pores nucléaires. Nous greffons pour cela des copolymères de degré d’hydrophilicité varié à la surface de nanopores de polycarbonate ou de nitrure de silicium percés dans des membranes ultraminces par un faisceau d’ions focalisé. Les chaînes greffées forment une brosse semi-diluée de polymères qui remplissent le pore. Ce réseau aléatoire agit comme une barrière stérique envers de grosses macromolécules passant dans le pore à moins que des interactions attractives adéquates ne s’établissent entre la brosse et les macromolécules. Le profil d’hydrophilicité de la brosse contrôle la compatibilité avec les macromolécules ou les nanoparticules que l’on souhaite sélectionner et assure la sélectivité des pores. Nous prévoyons de synthétiser différents systèmes et de comparer leurs propriétés : 1) des nucléoporines natives (FG (phénylalanine-Glycine) Nups) telles qu’on les trouve dans les pores nucléaires biologiques, 2) des copolymères double-hydrophiles synthétiques (dérivés de différents monomères d’oxazoline d’hydrophobie variée) greffés à la surface des pores par des extrémités réactives ou polymerises à partir de la surface, 3) des polymères et des copolymères greffés sélectivement à l’intérieur des pores par des ancres diazonium en utilisant un microscope électrochimique à balayage. Les propriétés de filtration, de transport et de commutation de ces nanopores chevelus seront déterminées et étudiées à l’échelle d’un pore unique et d’une molécule unique par des techniques optiques, hydrodynamique, électrique et électrochimique en confrontant les résultats expérimentaux avec des théories récentes. La détection optique que nous utilisons est nouvelle. Son principe repose sur le dépôt d’une mince couche d’or sur les pores et sur leur éclairement en lumière visible dans le régime non propagatif où la longueur d’onde de la lumière est plus grande que le diamètre des pore et où une onde lumineuse évanescente est localisée à l’entrée des pores. Des macromolécules marquées pour la fluorescence, entrant ou sortant du pore, émettent une lumière de fluorescence excitée par l’onde évanescente et sont visualisées en temps réel. Nos dispositifs électriques et optiques seront munis d’un contrôle de pression très sensible et nous pourrons effectuer des expériences de filtration sous écoulement à l’échelle d’une molécule unique. Nous étudierons la cinétique de transport (à l’échelle de la milliseconde avec la détection optique et à l’échelle de la microseconde avec la détection électrique) des macromolécules et des colloïdes étudiés d’hydrophobie croissante ainsi que les interactions avec la surface des pores et la couche de polymères greffés. Notre but est de définir les meilleures conditions pour obtenir le transport rapide et peu perturbé d’un type donné de macromolécules et de nanoparticules. Nous testerons l’utilisation de ces particules furtives comme vecteurs d’autres charges macromoléculaires. Des gradients de concentration en transporteurs seront réalisés pour créer un transport directionnel. Des expériences de transport actif seront aussi réalisées en utilisant des forces d’entraînement électriques et électrochimiques. Les mesures microscopiques seront corrélées à des mesures macroscopiques de perméation et de filtration. Des estimations réalistes de la sélectivité des pores et du débit montrent que des membranes microfabriquées supportant des réseaux de pores pourrait être utile et rentable pour la séparation et la production de macromolécules à haute valeur ajoutée comme les protéines recombinantes, ce qui justifie notre participation à cet appel à projets.