Surface nanopatterning by a honeycomb protein self-assembly : a new biomaterial for nanotechnology | Nanopatterning de surface par un auto-assemblage protéique en nid d’abeille : un nouveau biomatériau pour la nanotechnologie

Английский. Surface nanopatterning is a key point in the fields of applications covering microelectronics, photovoltaics or biosensors. The purpose of nanopatterning a surface is to increase the specific surface area to improve the performance of the devices. This is achieved by reducing the pitch between two adjacent motifs created by the nanopatterning. Despite the constant improvement of the state-of-the-art techniques currently used for the creation of such patterns, they reach physical limitations and become very expensive. These main limitations can be overcome with bottom-up approach using self-assembling molecules. Among the molecules with self-assembly capabilities, proteins are distinguished by their nature, which makes them intrinsically stable and robust under physiological conditions. However, the protein self-assemblies described in the literature are often monolayers and, therefore, present few grafting sites, which limits their application in the field of nanotechnology. In this work, we present a protein oligomerization domain capable of self-assembly, through head-tail interactions, creating a honeycomb structure. This structure presents dimensions below 10 nm. We showed that it was possible to modulate its anchor on different surfaces and that one pore of this honeycomb was composed of 40 stacked proteins. Moreover, it is possible to modify the amino acids present inside these pores without modifying the honeycomb structure. We also showed that the functionalization of this nanostructure was possible using divalent or trivalent metal ions. This opens the possibility of using this structure for applications in nanotechnology. In this context, we have evaluated the interest of its use in two types of biosensors: a colorimetric biosensor for glucose detection and a biosensor using surface plasmon resonance for the detection of volatile organic compounds. These results show the potential of this protein honeycomb to nanostructure surfaces and thus improve already existing devices.

Французский. La nanostructuration de surface aussi appelée nanopatterning est un point clé dans les domaines d’applications couvrant la microélectronique, le photovoltaïque ou encore les biocapteurs. Le but de nanostructurer une surface est d’augmenter la surface spécifique pour accroître les performances des appareils. Ceci est permis par la diminution de l’espace (appelé pitch en anglais) entre deux motifs adjacents créés par le nanopatterning de la surface. Malgré la constante amélioration des techniques de pointe utilisées actuellement pour la création de tels motifs, elles atteignent des limitations physiques et, de surcroît, deviennent très onéreuses. Ces principaux verrous peuvent être levés en utilisant une approche dite bottom-up en utilisant des auto-assemblages de molécules. Parmi les molécules présentant des capacités d’auto-assemblage, les protéines se distinguent par leur nature qui les rend intrinsèquement stables et robustes dans des conditions physiologiques. Cependant, les auto-assemblages protéiques décrits dans la littérature sont souvent des monocouches et, de ce fait, présentent peu de site de greffage ce qui limite leur application dans le domaine de la nanotechnologie. Dans ce travail, nous présentons un domaine d'oligomérisation protéique capable de s’auto-assembler, par des interactions tête-queue, créant ainsi une structure en nid d'abeille. Cette structure présente des dimensions en dessous de 10 nm. Nous avons montré qu’il était possible de moduler son ancrage sur différentes surfaces et qu’un pore de ce nid d’abeille était composé de 40 protéines empilées. De plus, il est possible de modifier les acides aminés présents à l’intérieur de ces pores sans modification de la structure en nid d’abeille. Nous avons aussi montré que la fonctionnalisation de cette nanostructure était possible en utilisant des ions métalliques divalents ou trivalents. Ceci ouvre la possibilité d’utiliser cette structure pour des applications dans la nanotechnologie. Dans ce cadre, nous avons évalué l’intérêt de son utilisation dans le cadre de deux types de biocapteurs : un biocapteur colorimétrique pour la détection de glucose et un biocapteur utilisant la résonance des plasmons de surface pour la détection de composés organiques volatiles. Ces résultats montrent le potentiel de ce nid d’abeille protéique pour nanostructurer des surfaces et ainsi améliorer les dispositifs déjà existants.