Projet ANR-11-JS08-0011 – 3D-BIOELEC : Spectroelectrochimie résolue en temps sur électrodes 3D mésoporeuses
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Veronique BALLAND (UNIVERSITE DE PARIS 7)
Partenaires : Laboratoire d'Électrochimie Moléculaire
Montant : 184839.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Spectrobioélectrochimie en temps réelDéveloppement d’une nouvelle méthodologie spectro-électroanalytique pour la caractérisation de biomolécules (protéines, enzymes) redox immobilisées sur électrodes transparentes mésoporeuses d’oxyde métallique
Couplage en temps réel de l’électrochimie à la détection spectroscopique d’une monocouche de biomoléculesL’objectif principal concerne le développement d’une technique originale de spectroélectrochimie en temps réel capable d’analyser des processus physico-chimiques à l’échelle sub-milliseconde sur des biomolécules immobilisées sur des surfaces conductrices.Les enjeux portent sur la détection spectroscopique d’une faible quantité de biomolécules avec des temps d’intégration courts pour permettre de corréler des données spectroscopiques et des données électrochimiques afin d’avoir une meilleure compréhension des processus localisés à l’interface de l’électrode comme les processus d’adsorption, de transfert d’électron à grande distance, et de réactivité chimique des biomolécules immobilisées. Une compréhension fine de ces processus fondamentaux est nécessaire pour le développement de biotechnologies efficientes. 
Electrodes mésoporeuses d'oxyde métalliqueLa méthodologie adoptée consiste à préparer des électrodes transparentes mésoporeuses d’oxyde métallique présentant une conductivité et une transparence optimisées. Ces électrodes de grande surface spécifique permettent l’immobilisation de grandes quantités de biomolécules, facilitant leur détection spectroscopique. Ces électrodes sont ensuite fonctionnalisées par des sondes redox présentant des caractéristiques spectroscopiques adéquates et une activité redox éventuellement liée à une activité catalytique.Les électrodes modifiées obtenues sont ensuite étudiées par diverses techniques spectroscopiques couplées à l’électrochimie, dont la spectroscopie d’absorption UV-visible. La résolution temporelle de l’ensemble est ainsi caractérisée permettant le cas échéant de suivre l’activité catalytique de la sonde redox adsorbée.
Résumé de la soumission : L'objectif du projet 3D-BIOELEC est de développer une technique originale de spectroélectrochimie résolue en temps à l'échelle submilliseconde. Cette technique devrait être un outil puissant pour analyser les aspects cinétiques, thermodynamiques et mécanistiques de protéines ou enzymes redox immobilisées par corrélations croisées de données spectroscopiques et électrochimiques.Le point clé du projet repose sur l'utilisation de nouvelles électrodes tridimensionnelles récemment développées et caractérisées par une bonne transparence optique et une excellente conductivité. Ces électrodes 3D consistent en un film mince d'oxyde métallique présentant une porosité parfaitement organisée et une très grande surface spécifique, permettant l'immobilisation d'une grande quantité de protéine redox et sa rapide conversion redox. De plus, la bonne transparence optique de ces électrodes permet de coupler l'électrochimie à diverses techniques spectroscopiques comme l'absorption UV-visible ou encore la résonance Raman. La technique de spectroélectrochimie résolue en temps ainsi développée sera parfaitement adaptée à l'étude d'une large gamme de protéines et enzymes redox immobilisées, permettant d'étudier leur intégrité structurale et fonctionnelle, de déterminer leur concentration surfacique, d'attribuer sans ambiguité les potentiels redox observés, et d'obtenir des informations détaillées sur les aspects cinétiques et mécanistiques des processus de transfert d'électron.Ces études fondamentales devrait impacter de façon importante le domaine des biotechnologies en permettant de rationaliser, prédire et optimiser le fonctionnement des biosenseurs et bioreacteurs électrochimiques ainsi que des biopiles. Nous mettrons à profit l'expertise acquise sur les électrodes transparentes mésoporeuses et leur fonctionnalisation par des édifices biologiques afin de déveloper des dispositifs bioélectrochimiques originaux pour la production et/ou la conversion d'énergie.
Résultats : Nos principaux résultats portent sur
-	L’obtention d’une résolution temporelle d’environ 20 ms ayant permis d’étudier la réactivité d’un peptide hémique vis-à-vis de la réduction catalytique du dioxygène. Cette étude nous a permis de valider la méthodologie développée et de démontrer l’intérêt du couplage entre électrochimie et spectroscopie pour préciser le mécanisme réactionnel du catalyseur immobilisé (article 1)
-	L’influence de l’état de surface des électrodes mésoporeuses préparées sur les processus d’adsorption et de dénaturation de protéines immobilisées (article 2)
Perspectives : Nos perspectives portent sur la fonctionnalisation covalente des électrodes mésoporeuses d’oxydes métalliques dans des conditions douces, compatibles avec l’utilisation de matériel biologique. Ceci permettra d’augmenter la stabilité des électrodes modifiées préparées, et d’améliorer encore la résolution temporelle de la technique.
En parallèle, nous poursuivons le développement d’électrodes mésoporeuses transparentes d’oxyde métalliques pour gagner en transparence, surtout du côté UV.
Enfin, nous allons prochainement essayer d’étudier des électrodes modifiées par systèmes enzymatiques plus volumineux, pour tester les limites d’utilisation de la technique de spectroélectrochimie en temps réel développée.
Publications et brevets : Deux articles en lien avec le travail financé par l’ANR ont été publiés en 2012 dans des revues internationales avec comité de lecture (impact factor 10.7 and 4.2).
1. Renault C., Andrieux C.P., Tucker R.T., Brett M.J., Balland V.*, Limoges B.* (2012) J. Am. Chem. Soc. 134, 6834-6845 
2. Schaming D., Renault C., Tucker R.T., Lau-Truong S., Aubard J., Brett M.J., Balland V.*, Limoges B.* (2012) Langmuir 28, 14065-14072