Chimie 2.0

Un nouveau colorant ultra-brillant pour mieux sonder le cerveau

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-04-29T14:24:01Z

Pour obtenir des images en 3D de très haute résolution du système vasculaire cérébral, on utilise un colorant qui fluoresce dans le proche infra-rouge, lumière que la peau laisse passer. Un nouveau colorant, le chromophore Lem-PHEA, qui surclasse sensiblement les meilleurs colorants actuellement utilisés, vient d'être synthétisé par une équipe du Laboratoire de chimie(CNRS / ENS de Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1). Menés en collaboration avec des chercheurs de l'Institut des neurosciences (Université Joseph Fourier - Grenoble / CEA / Inserm / CHU) et du Laboratoire Chimie et interdisciplinarité : synthèse, analyse, modélisation (CNRS / Université de Nantes), ces travaux viennent de paraître en ligne dans la revue Chemical Science. Ils ouvrent d'importantes perspectives pour mieux observer le cerveau et comprendre son fonctionnement.

Différentes techniques d'imagerie cérébrale, comme la microscopie biphotonique ou l'IRM, contribuent à comprendre le fonctionnement du cerveau sain ou malade. Une de leurs caractéristiques essentielles est leur résolution spatiale, c'est-à-dire la dimension des plus petits détails observables par chacune d'elles. Typiquement, pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), cette résolution est limitée à quelques millimètres, ce qui ne permet pas d'obtenir des images comme celle ci-dessous dont la résolution est cette fois de l'ordre du micromètre.

: Image du système vasculaire cérébral d'une souris obtenue par microscopie biphotonique en 3D avec ajout du colorant Lem-PHEA
© B. van der Sanden et F. Appaix (Institut des neurosciences de Grenoble)

Pour obtenir de telles images du système vasculaire d'un cerveau de souris, il est nécessaire de disposer d'un colorant fluorescent qui doit réunir plusieurs propriétés : luminescence dans le proche infrarouge, solubilité dans les milieux biologiques, faible coût, non toxicité et qui permette l'imagerie 3D (absorption à deux photons). Les chercheurs viennent de mettre au point un nouveau colorant, le Lem-PHEA, qui réunit ces propriétés, et est facilement synthétisé. Injecté dans les vaisseaux sanguins d'une souris, il a révélé les détails du système vasculaire de cet animal avec une précision qui n'avait encore jamais été atteinte, grâce à une fluorescence nettement amplifiée par rapport aux colorants « classiques » (tels que les dérivés de la Rhodamin-B et des cyanines). Avec le Lem-PHEA, les chercheurs ont obtenu des images plus contrastées (en termes de brillance) qu'avec ces colorants usuels. Enfin, il est facilement éliminable par les reins et aucun résidu toxique n'a été retrouvé dans le foie. Ces résultats ouvrent d'importantes perspectives pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau.

Référence

Julien Massin, Azzam Charaf-Eddin, Florence Appaix, Yann Bretonnière, Denis Jacquemin, Boudewijn van der Sanden, Cyrille Monnereau and Chantal Andraud
A water soluble probe with near infra-red two-photon absorption and polarity-induced fluorescence for cerebral vascular imaging.
Chemical Science 22 avril 2013, DOI : 10.1039/C3SC22325F

Source : CNRS / Bureau de presse

Contact chercheur : Cyrille Monnereau / Laboratoire de chimie (Lyon)

Des matériaux pour des batteries plus puissantes

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-04-17T09:25:36Z

Les chercheurs de l'Institut Carnot Cirimat (1) (CNRS/Université de Toulouse III - Paul Sabatier) en collaboration avec des équipes américaines, ont préparé un matériau d'électrode à base d'oxyde Nb2O5 nanométrique combinant deux propriétés respectives de certains supercondensateurs et des batteries Li-on : une vitesse de diffusion rapide des ions (charge/décharge rapide) et un stockage de l'énergie dans le volume entier (plus grande capacité de charge). Cette double propriété est permise ici par un phénomène appelé pseudo-intercalation. Des électrodes épaisses (jusqu'à 40 µm) réalisées avec du T- Nb2O5 offrent ainsi la perspective d'exploiter le mécanisme de pseudo-intercalation pour obtenir des systèmes de stockage de l'énergie pouvant se charger ou se décharger en quelques minutes. Ces travaux, issus du Réseau de stockage électrochimique de l'énergie, sont parus dans la revue Nature Materials le 15 avril 2013.

Le stockage de l'énergie dans les batteries Li-ion se fait de façon conventionnelle par réaction d'oxydo-réduction d'intercalation des ions lithium dans le volume des matériaux d'électrodes. C'est un mécanisme qui permet de stocker un grand nombre de charges mais qui souffre souvent de limitations liées à la diffusion – le transport des ions – au sein du matériau, ce qui limite la vitesse de charge ou de décharge. Le stockage pseudocapacitif est quant à lui un mécanisme réactionnel d'oxydo-réduction limité à la surface du matériau ; du fait de ce confinement, il n'est donc pas limité par la diffusion mais ne permet pas le stockage de grandes quantités d'énergie.La pseudo-intercalation combine les avantages des deux technologies.

Suite à des publications parues en 2010 et 2012 qui ont rapporté un comportement pseudocapacitif lors de l'intercalation d'ions lithiums dans un oxyde de niobium (une forme allotropique du pentoxyde de niobium, T- Nb₂O₅), une nouvelle étude a été menée sur ce matériau par une équipe franco-américaine. Conduite par le Pr. Bruce Dunn (Université de Californie) et le Pr. Patrice Simon (directeur adjoint du RS2E, Université Paul Sabatier), la collaboration est une première qui a rassemblé trois équipes (Californie, Cornell et Toulouse).

Dans un premier temps, des mesures sur une microélectrode en T-Nb₂O₅ de 30 µm de diamètre ont montré que la cinétique de la réaction – la vitesse à laquelle les charges se déplacent et sont stockées – est rapide pour des temps de charge aussi courts que 60 secondes. On observe ici une cinétique bien moins limitée que dans le cas des autres matériaux d'intercalation.

Les propriétés électrochimiques de films épais (40 µm) ont ensuite été comparées à celles d'une anode de batterie Li-ion de puissance, le Li₄Ti₅O₁₂ (LTO). Bien qu'initialement plus élevée (175 mAh/g contre 140 mAh/g), la capacité gravimétrique du LTO diminue puis s'effondre complètement pour des taux de décharge supérieurs à 60C. En revanche, les électrodes en T-Nb₂O₅ se montrent capables de conserver 40% de leur capacité initiale à 1000C, ce qui correspond à une décharge en 4 secondes (fig. 1). Le T-Nb₂O₅ nanométrique montre donc, à très haut taux de décharge, une amélioration significative par rapport à des matériaux d'électrode conventionnels.
Une analyse cristallographique a également été réalisée pour compléter l'étude et observer la façon dont les charges sont stockées dans T-Nb₂O₅. Cette analyse révèle ainsi que le stockage a lieu dans le volume du matériau via des tunnels naturels qui permettent un transport rapide des ions (fig. 2). Enfin, l'analyse confirme que la réaction entre les ions lithiums et T-Nb₂O₅ est de nature redox.

Si la prochaine étape est d'examiner le comportement du T-Nb₂O₅ sur des cycles de charges/décharges dans des systèmes de supercondensateurs hybrides, ces travaux offrent comme perspectives plus larges d'utiliser le mécanisme de pseudo-intercalation pour mettre au point des systèmes de stockage électrochimiques de l'énergie de forte puissance.

(1) Centre inter-universitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux

: Structure T-Nb2O5 © CNRS/Université Paul Sabatier/Université de Californie/Université de Cornell

Référence

Veronica Augustyn, Jérémy Come, Michael A. Lowe, Jong Woung Kim, Pierre-Louis Taberna, Sarah H. Tolbert, Hector D. Abruña, Patrice Simon & Bruce Dunn
High-rate electrochemical energy storage through Li+ intercalation pseudocapacitance
Nature Materials 14 avril 2013, DOI : 10.1038/NMAT3601.

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Patrice Simon / Cirimat (Toulouse)

Comment prévenir la colonisation d'implants par des pathogènes ?

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-04-16T12:00:49Z

La prévention de la colonisation des implants par des pathogènes responsables d'infections nosocomiales est une préoccupation médicale et économique majeure. L'immobilisation de molécules antimicrobiennes sur ces matériaux pourrait permettre d'empêcher leur contamination par des bactéries ou des levures. Dans ce contexte, des chercheurs de l'Institut Charles Sadron de Strasbourg (CNRS) et de l'UMR INSERM 1121 viennent de mettre au point le premier revêtement biocompatible auto-défensif vis-à-vis à la fois des bactéries et des levures, destiné à recouvrir les implants médicaux. Ces résultats font l'objet d'une publication dans la revue Advanced Functional Materials.

Les implants médicaux sont très largement utilisés en chirurgie, lors du remplacement de tissus défectueux ou manquants, pour l'administration de gaz, de médicaments et d'alimentation par l'intermédiaire de cathéters. La prévention de la colonisation de ces implants par des pathogènes (bactéries ou levures) est une préoccupation médicale et économique majeur. En effet, l'infection par des micro-organismes reste une des complications les plus sérieuses après un acte chirurgical ou la mise en place d'un cathéter. Chaque année en Europe, 5% des patients admis dans les hôpitaux contractent une maladie nosocomiale et 10% d'entre eux en meurent[1]. Certains pathogènes multi-résistants aux antibiotiques conventionnels adhèrent au dispositif implanté et se multiplient jusqu'à former un biofilm à l'origine de maladies associées aux soins. L'immobilisation de molécules antimicrobiennes sur des biomatériaux pourrait être une alternative envisageable pour empêcher la formation de tels biofilms.

Dans ce contexte, les chercheurs viennent de mettre au point le premier revêtement biocompatible auto-défensif vis-à-vis à la fois des bactéries et des levures[2]. Ce revêtement, obtenu par la technique couche-par-couche, est à base de polysaccharides, le chitosan (CHI) et l'acide hyaluronique (HA). Il contient également de la cateslytine (CTL), un peptide endogène antibactérien et antifongique qui a été greffé sur HA (HA-CTL).

La libération des peptides antimicrobiens (CTL) est obtenue par le pathogène lui-même qui produit l'enzyme responsable de la dégradation du revêtement. Il empêche donc la prolifération des bactéries de Staphylococcus aureus et des levures Candida albicans à son contact. Ces pathogènes, parmi les plus communs et virulents responsables des maladies nosocomiales, produisent de la hyaluronidase, une enzyme responsable de la dégradation du film et de la libération de CTL. La libération du CTL antimicrobien favorise ainsi l'élimination des pathogènes.

La biocompatibilité de ces films a également été testée vis-à-vis des cellules humaines. Les films de CHI/HA-CTL, sans être cytotoxiques c'est-à-dire sans nocivité pour les cellules, inhibent l'adhésion des fibroblastes humains (cellules du tissu conjonctif). Ces propriétés permettent d'envisager pour ces revêtements polymériques innovants des applications médicales particulièrement efficaces contre le développement d'infections microbiennes lors d'interventions chirurgicales ou après la pose de cathéters intravasculaires.

[1] J. P. Guggenbichler, O. Assadian, M. Boeswald, A. Kramer, GMS Krankenhauhygiene Interdisziplinar 2011, 6, 1.

[2] Ce travail est soutenu par la Région Alsace et l'Institut Carnot MICA.

: Revêtements à base de polysaccharides, polymères biocompatibles, permettant d'immobiliser la cateslytine (étoile verte), un peptide à la fois antibactérien et antifongique. Ce revêtement est dégradé par une enzyme, la hyaluronidase, sécrétée par la bactérie Staphyloccoque doré et la levure candida albicans, pathogènes les plus virulents rencontrés lors des maladies nosocomiales. Le peptide libéré en solution favorise ainsi l'élimination des pathogènes. © Fouzia Boulmedais

Référence

G. Cado, R. Aslam, L. Séon, T. Garnier, R. Fabre, A. Parat, A. Chassepot, J.-C. Voegel, B. Senger, F. Schneider, Y. Frère, L. Jierry, P. Schaaf, H. Kerdjoudj, M.-H. Metz-Boutigue, F. Boulmedais
Self-defensive biomaterial coating against bacteria and yeasts : polysaccharide multilayer film with embedded antimicrobial peptide
Adv. Funct. Mater 16 avril 2013, DOI : 10.1002/adfm.201300416.

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Fouzia Boulmedais / Institut Charles Sadron (Strasbourg)

Copolymères triblocs BAB polyanioniques, électrolyte des batteries au lithium métal de demain ?

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-04-02T10:47:51Z

Dans le domaine des batteries au lithium métal, les enjeux en terme de sécurité, et la nécessité d'augmenter la densité d'énergie, impliquent le développement de « nouvelles chimies » pour les matériaux actifs des électrodes mais aussi pour l'électrolyte. Des chercheurs du Laboratoire MADIREL (Matériaux Divisés, Interfaces, Réactivité, Electrochimie, UMR CNRS / Université Aix-Marseille) viennent de mettre au point un nouvel électrolyte polymère qui permet d'améliorer ses propriétés mécaniques, sa conductivité ionique et le nombre de transport des ions lithium, ce qui rend ce nouveau matériau très attractifs pour la prochaine génération de batteries.

Le changement climatique, la pollution et la diminution des ressources fossiles sont des défis majeurs pour l'humanité. Le développement de modes de transport alternatifs tels que les véhicules entièrement électriques ou hybrides est devenu un enjeu essentiel pour le développement durable. Le défi, dans un avenir très proche, est de mettre au point une technologie de batterie sûre, peu coûteuse et efficace qui donnerait aux véhicules électriques une autonomie élargie. Les performances des batteries lithium-ion classiques basées sur la technologie électrolyte liquide ont fait de grands progrès durant les deux dernières décennies, mais l'instabilité intrinsèque des électrolytes liquides conduit à des problèmes de sécurité importants. Les enjeux en terme de sécurité et la nécessité d'augmenter la densité d'énergie impliquent le développement de « nouvelles chimies » pour les matériaux actifs des électrodes mais aussi pour l'électrolyte.

Le lithium métallique est l'électrode négative ultime et le seul choix pour faire face aux électrodes positives à air (Li-air) ou au soufre (Li-S8) afin de profiter pleinement des capacités spécifiques (**) élevées de ces derniers. Cependant, l'utilisation du lithium métallique au contact avec un électrolyte liquide conduit malheureusement à des problèmes de sécurité associés à la formation de dépôts électrolytiques de lithium métallique irréguliers pendant la recharge susceptibles de provoquer des court-circuits pouvant conduire à une explosion. Les électrolytes polymères solides seraient une solution idéale pour palier à ces problèmes de sécurité, permettant également la miniaturisation des systèmes et l'augmentation de la densité d'énergie.

Les électrolytes polymères usuels sont constitués d'un sel de lithium dissout dans une matrice polymère. Toutefois, comme dans les liquides, la fraction de la charge portée par les ions lithium est faible (<20%), ce qui conduit pendant le fonctionnement de la batterie à la formation d'un fort gradient de concentration avec des effets délétères, comme une croissance de dépôts métalliques favorisée et une forte limitation en puissance. De plus, les électrolytes polymères solides les plus performants fonctionnent actuellement à 80° C, d'où des propriétés mécaniques médiocres et présentent une fenêtre de stabilité électrochimique limitée à 3,8 volts.

Les chercheurs viennent de mettre au point un nouvel électrolyte polymère conducteur qui utilise un copolymère tribloc BAB polyanionique et nano-structuré pour optimiser les propriétés mécaniques, la conductivité ionique et le nombre de transport des ions lithium. Le bloc B est un polyélectrolyte à base de poly(styrène) sur lequel est directement greffé l'anion associé au cation Li+. Ce bloc assure la tenue mécanique et joue le rôle de réservoir d'ion Li+. Il est associé à au bloc central constitué de poly(oxyde d'éthylène) qui assure la conductivité des ions lithium. La conductivité cationique par ion Li+ (1,3 10-5 S.cm-1 à 60 ° C) est près d'un demi-ordre de grandeur plus élevée que celui de l'état de l'art, et montre une résistance mécanique fortement améliorée. De plus, la fenêtre de stabilité électrochimique est augmentée de plus d'un volt jusqu'à 5 V. Enfin, les tests en batterie montrent que les performances en puissance (figure 1) et la cyclabilité sont remarquables, en particulier à 60 ° C (soit 20°C plus bas que les technologies polymères actuelles), ce qui rend ces nouveaux matériaux très attractifs pour la prochaine génération de batteries.

(*) En collaboration avec le Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (CNRS / Université de Picardie) et l'Institut de Chimie Radicalaire (CNRS / Université Aix-Marseille). Les trois laboratoires sont membres du Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie piloté par le CNRS. Ce travail a été financé par L'ANR (AAP StockE-2009) dans le cadre du projet COPOLIBAT.

(**)La capacité correspond à ce que la batterie peut fournir comme quantité de courant. La capacité spécifique est la capacité de la batterie ramenée à son poids.

: Capacité déchargée en fonction du régime comparée à 60 et 80° C. Les carrés noirs sont données à titre de comparaison avec l'état de l'art. © Julien Haines

Référence

Renaud Bouchet, Sébastien Maria, Rachid Meziane, Abdel Aboulaich, Livie Lienafa, Jean-Pierre Bonnet, Trang N. T. Phan, Denis Bertin, Didier Gigmes, Didier Devaux, Renaud Denoyel, Michel Armand
Single-ion BAB triblock copolymers as efficient electrolytes for lithium metal batteries
Nature Materials 31 mars 2013.

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Renaud Bouchet / Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces - St Martin d'Heres

Nanomédecine : de nouveaux vecteurs de taille contrôlée

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-03-20T11:20:29Z

Encapsuler les médicaments pour les protéger et les amener à leur cible est un défi relevé par de nombreuses équipes de scientifiques. Un des principaux problèmes réside dans le contrôle de la taille des capsules. Des chercheurs de l'Institut Charles Sadron (CNRS) proposent une nouvelle méthode pour concevoir des polymères qui permet de contrôler parfaitement la taille des capsules synthétisées. Ces résultats font la couverture de la revue Physical Review Letters.

En pharmacologie, il ne suffit pas de trouver le bon principe actif. Encore faut-il le transporter jusqu'à sa cible en le protégeant de son environnement. En effet, lorsqu'une substance quelconque pénètre notre corps, ses molécules sont dégradées et métabolisées par des enzymes, et les médicaments et leurs principes actifs n'échappent pas à cette règle.

Pour améliorer le transport (vectorisation) et le ciblage thérapeutique, les chercheurs développent plusieurs pistes. L'une d'entre elles fait intervenir des capsules microscopiques qui se forment spontanément à partir de longues chaînes de molécules (polymères). Elles peuvent séquestrer des produits chimiques (principes actifs par exemple), les protégeant ainsi de leur environnement liquide, et ensuite les transporter dans le sang pour les déposer à l'emplacement à traiter.

Le contrôle de la taille des capsules est essentiel pour leur fabrication car leur taille détermine non seulement la capacité de la capsule à transporter sa cargaison chimique, mais aussi la facilité avec laquelle elle peut naviguer parmi les obstacles microscopiques et franchir les barrières biologiques de l'organisme. Hélas, la difficulté de contrôler leur taille est l'un des principaux problèmes techniques à la réalisation de ces capsules.

La paroi des capsules habituelles est une membrane de deux feuillets, formée de copolymères composés de deux motifs chimiquement différents (« blocs »). Problème : avec seulement deux blocs les deux feuillets sont toujours identiques, car les copolymères peuvent passer d'un feuillet à un autre. Ne pouvant pas fabriquer un feuillet avec une taille un peu plus grande que l'autre, il est difficile d'imposer une courbure à la membrane et donc de contrôler la taille des capsules, ce qui limite leur utilisation dans des applications pratiques.

Les chercheurs de l'Institut Charles Sadron viennent de proposer une nouvelle méthode pour concevoir des polymères composés de quatre « blocs » différents joints bout à bout, un peu comme si on collait les deux feuillets en un seul. On peu ainsi imposer une courbure donnée à la membrane en contrôlant la taille des blocs : ces nouvelles molécules forment alors systématiquement des capsules de même taille ! Une avancée décisive dans le domaine de la vectorisation des médicaments.

Référence

Martin J. Greenall et Carlos M. Marques
Can Amphiphile Architecture Directly Control Vesicle Size ?
Phys. Rev. Lett. 20 février2013, DOI : 10.1103/PhysRevLett.110.088301

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Carlos M. Marques / Institut Charles Sadron - Strasbourg

Un progrès dans la lutte contre les infections nosocomiales

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-03-20T10:17:58Z

L'adhérence des bactéries aux surfaces biotiques et abiotiques est un processus clé des contaminations microbiennes qui sont, notamment, à l'origine de la survenue d'infections. Des chercheurs de l'Institut de Recherche Interdisciplinaire (CNRS / Université de Lille 1), en étroite collaboration avec l'Unité de Génétique de Biofilms (Institut Pasteur), et leLaboratoire des Glucides (CNRS / Université de Picardie Jules Vernes), viennent de développer et de mettre en évidence les propriétés « anti-adhésives » de nanodiamants fonctionnalisés par un sucre simple, le mannose. Ces résultats font la couverture de la revue Nanoscale.

La gestion des infections microbiennes repose, la plupart du temps, sur un traitement antibiotique. Cependant, la formation de films bactériens confère aux bactéries une forte tolérance aux antibiotiques, nettoyants chimiques, nettoyages mécaniques et aux conditions de vie hostiles (élévation de température, dessication,…). De plus, ces biofilms représentent un réservoir potentiel de bactéries qui peuvent constituer une nouvelle source de contaminations à l'origine de conséquences économiques importantes dans l'industrie agro-alimentaire, les industries pharmaceutiques et cosmétiques.

Une stratégie alternative au traitement antibiotique pour réduire ces infections est l'inhibition du premier contact entre la bactérie et les surfaces biotiques ou abiotiques sur lesquelles elles se déposent. Dans le cas d'adhésion avec des surfaces biotiques comme, par exemple, les muqueuses humaines, celle-ci est généralement médiée par des interactions multivalentes entre protéines et composés glycosylés. La bactérie Escherichia coli, cause la plus fréquente d'infections nosocomiales, présente à sa surface des appendices extracellulaires nommés pili qui comportent à leur extrémité une lectine(*) appelée FimH se liant spécifiquement aux résidus alpha-D-mannosylés que l'on trouve à la surface des cellules. Cette lectine FimH permet donc l'adhésion d' E. coli aux cellules eucaryotes. C'est un facteur majeur qui favorise la colonisation des muqueuses humaines par cette bactérie parfois très pathogène.

Etant-donnée l'importance de cette interaction dans le processus de colonisation de surfaces biologiques, les chercheurs ont synthétisé des nanodiamants fonctionnalisés par le mannose et mis en évidence une propriété remarquable. Ces nanostructures entrent en compétition avec les résidus mannosylés situés à la surface des cellules et inhibent donc l'adhésion d'E. coli à ces surfaces biologiques. Ces nanoparticules jouent le rôle de leurre vis-à-vis des bactéries qui s'y fixent préférentiellement. Les chercheurs ont atteint une puissance inhibitrice relative (PIR)(**) environ 10 000 fois supérieure à celle du sucre simple alpha-methyl-mannopyranoside - valeur sans comparaison avec celles rapportées antérieurement pour d'autres nanostructures similaires, nanoparticules d'or (PIR=20) ou fullerène (PIR=3), conçues dans le même but.

Ce travail ouvre la voie vers de nouvelles stratégies de lutte contre la colonisation des surfaces biologiques et des appareillages médicaux par E. coli, agent nosocomial majeur. A terme, ce type de stratégie « anti-adhésive » pourrait permettre de mieux contrôler les infections causées par cette bactérie.

(*) Les lectines sont des protéines (autres que les anticorps) qui se lient spécifiquement et de façon réversible à certains glycanes (**) La puissance inhibitrice relative (PIR) d'un composé correspond à l'efficacité relative de ce composé à inhiber l'adhésion par rapport à celle d'une molécule contrôle d'efficacité égale à 1, ici le sucre simple alpha-methyl-mannopyranoside.

Référence

Alexandre Barras, Fernando Ariel Martin, Omprakash Bande, Jean-Sebastien Baumann, Jean-Marc Ghigo, Rabah Boukherroub, Christophe Beloin, Aloysius Siriwardena et Sabine Szunerits
Glycan-functionalized diamond nanoparticles as potent E. coli anti-adhesives
Nanoscale 21 janvier 2013, DOI : 10.1039/C3NR33826F

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Rabah Boukherroub / Institut de Recherche Interdisciplinaire - Villeneuve d'Ascq

Lutter contre l'arythmie cardiaque après un infarctus du myocarde

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-02-28T10:35:19Z

Les acides gras poly-insaturés oméga-3 sont devenus populaires depuis que l'on connaît leur effet protecteur sur le cœur. Leur action bénéfique pour prévenir l'arythmie cardiaque après un infarctus est scientifiquement établie, mais les mécanismes restent encore mal compris. Par une approche originale qui combine chimie et physiologie, des chercheurs de l'Institut des Biomolécules Max Mousseron (CNRS / Universités Montpellier 1 et 2 / ENSCM) et du laboratoire de Physiologie et Médecine Expérimentale du Cœur et des Muscles (INSERM / Universités Montpellier 1 et 2) ont progressé dans la compréhension des mécanismes de l'effet cardioprotecteur des oméga-3, avec pour objectif final d'aboutir à une nouvelle classe de médicaments.

Depuis les années 1970, plusieurs études scientifiques ont montré qu'une consommation accrue d'huile de poisson, riche en acides gras poly-insaturés oméga-3 (AGPI), avait des effets cardio-protecteurs. Les AGPI ne préviennent pas l'infarctus ; ils agissent en réduisant les arythmies, ces irrégularités du rythme cardiaque qui se produisent après un infarctus et peuvent provoquer le décès soudain du patient. À l'heure actuelle, les mécanismes d'action des AGPI sont encore débattus et il n'existe pas de traitement efficace de ces arythmies. Chimistes et physiologistes associés se proposent d'apporter des réponses à ces questions.

Les AGPI, peu stables dans l'organisme, sont rapidement transformés. Les chercheurs ont donc fait l'hypothèse que c'était via leurs métabolites oxygénés qu'ils devenaient actifs. Dans un premier temps, l'équipe de chimistes a réalisé la synthèse de ces métabolites oxygénés des AGPI (Isoprostanes/Neuroprostanes). Une fois disponibles en quantité suffisante, leurs effets biologiques ont été testés sur les cellules cardiaques d'animaux sains ou ayant subi un infarctus du myocarde par l'équipe de physiologistes. Leur potentiel anti-arythmique a ainsi pu être évalué.

En parallèle, les scientifiques ont mis au point d'une méthode pour mesurer la quantité des métabolites d'AGPI dans le plasma ce qui leur a permis de déterminer la concentration à laquelle ils étaient actifs. Par cette approche originale qui combine chimie et physiologie, les chercheurs espèrent pouvoir comprendre les mécanismes qui régissent l'effet anti-arythmique des acides gras poly-insaturés oméga-3. Ils espèrent ainsi identifier de nouvelles molécules efficaces dans la lutte contre l'arythmie après infarctus du myocarde. Ces premiers résultats font l'objet d'un brevet.

: Cœur de porc observé grâce à l'Imagerie par Résonance Magnétique de Diffusion (IRM de diffusion). En mesurant les déplacements microscopiques des molécules d'eau au sein des fibres musculaires cardiaques, cette technique permet de reconstituer l'organisation de ces fibres ("spaghettis" multicolores). Leur orientation est un bon indicateur de l'intégrité et de la fonctionnalité du cœur.
© CNRS Photothèque - GOUTAILLER Florent

Référence

J-Y. Le Guennec, J-M. Galano, C. Oger, J. Thireau, J. Roy, V. Bultel-Poncé, A. Guy, T. Durand
Methods and Pharmaceutical Composition for the Treatment and Prevention of Cardiac Arrhythmias
European Patent 5 décembre 2012, EP12306519.3

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur :Valérie Bultel-Poncé / Institut des Biomolécules Max Mousseron (Montpellier)

Une approche biomimétique pour oxyder plus proprement

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-02-28T10:11:59Z

Les procédés d'oxydation nécessitent généralement des oxydants puissants comme le peroxyde d'hydrogène. Pour s'en affranchir et réaliser l'oxydation à partir de l'oxygène de l'air seul, les chercheurs de l'institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (CNRS / Université Paris-Sud) ont associé à un complexe bi-nucléaire de fer, analogue de la méthane mono-oxygénase, un complexe de ruthénium(II) photosensible. Cette approche biomimétique leur a permis de réaliser une oxydation « photo-assistée » en s'affranchissant des oxydants puissants, et donc d'oxyder plus proprement.

Dans le cadre d'un développement durable, la mise au point de procédés d'oxydation sélectifs respectueux de l'environnement est un enjeu majeur. Pour atteindre cet objectif, une des approches, dite biomimétique consiste à élaborer des complexes métalliques modèles des métalloenzymes que la nature a développées pour catalyser diverses réactions d'oxydation. Ainsi, les cytochromes P450 (*) hépatiques, qui présentent au site actif un cofacteur métallique de type hème-fer(III), sont les mieux connus et les plus étudiés de ces enzymes. Par ailleurs, la méthane mono-oxygénase, qui présente cette fois un site à deux fer(III), fait également l'objet d'intenses recherches depuis quelques années. En effet, ces deux systèmes sont capables d'oxyder une large variété de substrats organiques par activation réductrice du dioxygène de l'air pour conduire à l'entité active responsable de l'oxydation. Grâce à la synthèse de composés modèles de ces enzymes, des progrès importants ont été réalisés dans la compréhension du fonctionnement des sites actifs de ces entités : des intermédiaires clé tels que des entités fer(IV)-oxo ou fer(III)-peroxo ont ainsi été mis en évidence et leur rôle dans le processus d'oxydation démontré.

Cependant, dans la plupart des cas, ces intermédiaires sont générés par réaction avec des oxydants chimiques puissants comme le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂ = O₂ + 2e^- + 2H⁺). En revanche, leur obtention directe à partir du dioxygène de l'air seul, plus propre puisque ne faisant pas intervenir d'eau oxygénée, est limitée par l'incapacité des catalyseurs actuels à apporter les électrons nécessaires à la régénération du fer(II) après chaque cycle d'oxydation catalytique.

C'est sur ce point que les chercheurs de l'institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (CNRS / Université Paris-Sud) apportent une nouvelle contribution pour une utilisation future du dioxygène en catalyse d'oxydation. Ils ont synthétisé un complexe bi-nucléaire de fer (deux sites de fer), modèle de la méthane mono-oxygénase, et l'ont associé à un complexe de ruthénium(II) photosensible (voir figure). Utilisé seul, le complexe bi-nucléaire de fer à l'état réduit bis-Fe(II) peut activer le dioxygène pour former une espèce bis-Fe(III)-peroxo similaire à celle observée avec la méthane mono-oxygénase. Malheureusement, en fin de réaction, le complexe oxydé bis-Fe(III) obtenu est inerte vis-à-vis du dioxygène. C'est là qu'intervient le complexe de ruthénium(II) photo-activable. En effet, une irradiation à 450 nm porte ce complexe dans un état excité qui se désactive en éjectant un électron qui vient alors réduire Fe(III) en Fe(II) et ainsi permettre de boucler le cycle catalytique inspiré par les mono-oxygénases à fer. Ce travail ouvre la voie vers une nouvelle catalyse d'oxydation « photo-assistée » qui permettrait de s'affranchir de l'utilisation d'oxydants puissants, et donc d'oxyder plus proprement.

(* ) Les cytochromes P450 sont des hémoprotéines qui participent dans les processus d'oxydation métaboliques, impliquant l'activation réductrice du O₂. Leur site actif renferme une porphyrine complexée avec un atome de fer. C'est ce dernier qui confère au coenzyme ses propriétés oxydo-réductrices en changeant de valence. Le couple oxydant/réducteur est le suivant : Fe(2+) ↔ Fe(3+) + e^-

Référence

Dr. Frédéric Avenier, Dr. Christian Herrero, Dr. Winfried Leibl, Dr. Alain Desbois, Dr. Régis Guillot, Prof. Jean-Pierre Mahy, Prof. Ally Aukauloo
Photoassisted Generation of a Dinuclear Iron(III) Peroxo Species and Oxygen-Atom Transfer
Angewandt Chemie Int. Ed. 2O février 2013, DOI : 10.1002/anie.201210020

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Ally AUKAULOO /Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Le double rôle des bactéries dans la chimie des nuages

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-02-11T13:03:52Z

Comprendre les nuages et la chimie dont ils sont le siège est un enjeu majeur pour alimenter correctement les modèles globaux de prévision du climat. Depuis plus de trente ans les scientifiques de l'atmosphère n'ont considéré que des réactions purement abiotiques (sans intervention biologique) pour décrire les processus chimiques au sein des gouttes d'eau. Des chercheurs de l'Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (CNRS / Université Blaise Pascal) en collaboration avec le Laboratoire de Météorologie Physique (CNRS / Université Blaise Pascal) viennent pour la première fois de montrer que la composante biologique devra dorénavant être prise en compte dans les modèles de chimie atmosphérique.

Comprendre la chimie des nuages est un enjeu majeur car, outre un aspect fondamental, la description des processus chimiques et physiques sont à la base de modèles numériques qui permettent d'alimenter des modèles globaux de la prévision du climat. Or actuellement ces prévisions comportent de nombreuses incertitudes, dont la plus grande est liée aux nuages. La chimie des nuages est encore mal connue car elle est multiphasique (phases aqueuse, gazeuse et solide), donc extrêmement complexe.

Si l'on regarde uniquement la phase aqueuse du nuage (gouttelette d'eau), on observe des processus de dissolution des aérosols (composés chimiques solides), des échanges de composés volatiles (VOC) entre l'air et l'eau et une réactivité très intense au sein de la gouttelette. Depuis plus de trente ans, les scientifiques de l'atmosphère n'ont considéré que des réactions purement abiotiques (sans intervention biologique) de type radicalaire qui aboutissent à la dégradation de la matière organique carbonée. Un des radicaux majeurs impliqué dans cette chimie est le radical hydroxyle (°OH, forme neutre du radical hydroxide OH^-). Les radicaux °OH produits à partir d'eau oxygénée (H₂O₂) par voie photochimique ou par réaction avec des métaux comme le Fer oxydent et dégradent la matière organique.

L'histoire remonte aux années 2005 lorsque les chercheurs ont pour la première fois montré que des microorganismes vivants métaboliquement actifs étaient présents dans les nuages et pouvaient potentiellement transformer des composés organiques contenus dans les gouttes d'eau via leur métabolisme. L'accès à l'Observatoire du puy de Dôme (1465m), site exceptionnel et labellisé au niveau Européen pour l'étude des nuages, a permis de prélever des échantillons d'eau nuageuse et d'identifier près de 700 souches microbiennes. Grâce à ces souches, les chercheurs ont pu élaborer des expériences en laboratoire pour tester le rôle des microorganismes dans la chimie atmosphérique.

En réalisant des échantillons d'eau nuageuse contenant l'ensemble de la biodiversité microbienne et des composés chimiques, l'équipe clermontoise a pu montrer que l'activité des microorganismes dans la dégradation de la matière organique était du même ordre de grandeur que les réactions photochimiques et les réactions radicalaires non photochimiques. De plus, les microorganismes métabolisent H₂O₂ (pour la transformer en H₂O et O₂), qui est la source de formation des radicaux °OH. Ils diminuent donc le potentiel de formation des radicaux °OH et de manière indirecte l'efficacité des réactions radicalaires. Les résultats montrent pour la première fois que des bactéries contenues dans les nuages sont capables de dégrader l'eau oxygénée. Les mesures ont enfin montré que la présence de radicaux ne changeait pas l'état énergétique des cellules qui restent pleinement actives.

Ce travail réalisé par les équipes de Clermont-Ferrand ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension de la chimie atmosphérique. La composante biologique qui avait jusqu'ici été totalement ignorée devra dorénavant être prise en compte dans les modèles de chimie atmosphérique et les expériences menées en laboratoire pour alimenter les modèles globaux de prévision du climat.

Référence

M. VAITILINGOM, L. DEGUILLAUME, V. VINATIER, M. SANCELME, P. AMATO, N. CHAUMERLIAC, A.-M. DELORT
Potential impact of microbial activity on the oxidant capacity and organic carbon budget in clouds
Proc. Natl. Acad.Sci. (USA) 2013, 110 (2), 559-564.

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Anne-Marie DELORT / Institut de Chimie de Clermont-Ferrand

Biotechnologies : des puces sucrées sur des chaînes de polystyrène

Christophe Cartier dit Moulin — 2013-02-05T12:02:17Z

La reconnaissance moléculaire de sucres par des protéines complémentaires est de plus en plus utilisée dans des applications en biotechnologie et nanotechnologie (diagnostics, bio-puces…). Cependant, le contrôle de l'agencement précis de fonctions sucrées sur un matériau synthétique reste un véritable challenge. Une équipe de l'Institut Charles Sadron (CNRS), en collaboration avec des chimistes du Centre de Recherches sur les Macromolécules Végétales (CNRS), vient de réussir à « placer » à des endroits bien précis des sucres sur des chaines de polystyrène. Ces nouveaux systèmes qui pourraient être utilisés dans de nombreuses applications telles que le piégeage sélectif de virus, de toxines bactériennes ou la réalisation de diagnostics moléculaires, font l'objet d'une communication dans la revue Angewandte Chemie International Edition.

Le positionnement moléculaire précis de fonctions « sucrées » comme le mannose, le galactose et la N-acétylglucosamine joue un rôle très important dans la nature, notamment dans les phénomènes de reconnaissance moléculaire et d'adhésion cellulaire. Ces phénomènes, et notamment la reconnaissance moléculaire des sucres par des protéines complémentaires (les lectines) sont de plus en plus utilisés de nos jours dans des applications en biotechnologie et nanotechnologie (diagnostics, bio-puces etc…). Cependant, l'agencement précis de fonctions sucrées sur des matériaux synthétiques reste un challenge scientifique. Il est possible d'immobiliser des sucres sur des surfaces planes (dans le cas des bio-puces par exemple) mais par sur des objets aussi petits que des chaînes de polymère comme le polystyrène. Il existe depuis assez longtemps des polymères synthétiques fonctionnalisés par des sucres appelés « glycopolymères ». Cependant, ces polymères sont en général préparés à l'aide de méthodes de polymérisation classiques et ont donc des structures moléculaires assez simples. En particulier, lorsque plusieurs sucres sont utilisés, ils sont dans la plupart des cas distribués de manière aléatoire sur les chaînes. Les chercheurs sont parvenus à contourner ce problème. Ils viennent de mettre au point une technique de polymérisation contrôlée qui permet de « placer » des fonctions réactives à des endroits précis des chaînes polymères. Par la suite, ces zones ont été fonctionnalisées par différents sucres en utilisant des chimies sélectives (c.à.d. deprotections successives de groupes protecteurs). Au final, les sucres sont donc agencés dans un ordre précis sur les chaînes polymères. Ces systèmes sont des versions synthétiques simplifiées des glycoprotéines ou des surfaces cellulaires (glycocalix) utilisées dans de nombreux processus biologiques, chaque zone sucrée étant « reconnue » par sa lectine spécifique. La reconnaissance moléculaire locale d'objets aussi petits que des chaînes uniques de polymère est donc désormais possible. Même si ces macromolécules n'ont pas encore le même degré de perfection que leurs homologues naturels, leur modulabilité (i.e. la densité et le nombre de sucres par chaîne, leurs emplacements ou simplement le contrôle de l'ordre de ceux-ci sur la chaîne) marque une grande avancée dans la synthèse de tels systèmes. De surcroît, ces polymères sont construits sur des chaînes de polystyrène, matériau biocompatible, bio-inerte, et pouvant être synthétisé en grande quantité. On peut maintenant envisager de nombreuses applications pour ces systèmes comme le piégeage de virus, de toxines bactériennes ou la réalisation de diagnostics moléculaires.

Référence

Nathalie Baradel, Sébastien Fort, Sami Halila, Nezha Badi, and Jean-François Lutz
Synthesis of Single-chain Sugar-arrays
Angewandte Chemie 23 janvier 2013, DOI : 10.1002/anie.201209052

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Jean-François Lutz / Institut Charles Sadron (Strasbourg)