Projet ANR-11-PDOC-0027 – HARB : Auto-assemblage hierarchique de batonnets colloidaux biologiques
Programme : Retour Post-Doctorants (RPDOC)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur thomas GIBAUD (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE)
Partenaires : Laboratoire de Physique de l'Ens de Lyon
Montant : 350000.0 euros
Durée : 24 mois
Résumé : Auto assemblage hierachique de bio- colloidesJe travaille en  physique expérimentale de la matière condensée. J'utilise colloïdes comme blocs de construction pour créer de nouveaux matériaux et attaquer des problèmes liés à l'auto-assemblage. Je compte sur la biologie pour extraire / synthétiser une nouvelle variété de bio-colloïdes. Une combinaison du génie génétique et de chimie me permet de peaufiné leurs propriétés. Je ne peux en particulier le contrôle de leurs géométrie et leurs interaction.
De nouveuax Colloïdes pour de nouveaux matériauxLes biomatériaux ont souvent une hiérarchie structurelle en cascade du microscopique (angstrom-nanometer) au mésoscopique (microns) et macroscopiques (millimètre). Par exemple, à partir de notre propre recherche, nous avons montre qu'aux plus petits echelle de taille chaque virus est assemblé à partir d'un ADN qui est revêtu avec des milliers d'exemplaires de la protéine d'enveloppe principale. Aux échelles de longueurs mésoscopiques, des interactions attractives en raison de polymères non-adsorbantes  condense une suspension diluée de virus en membrane colloidale, une monocouche en forme de disque de virus tous alignes selon leur longueur. Lors du mélange, tous les virus rapidement se fondent en une telle structure. Une paire de disques ainsi assemblee va se rencontrer du a l'attraction mutuelle lie aux polymères ce qui se traduit par l'assemblage d'un doublets sous torsion. Sur des échelles de temps plus longue ce processus de coalescence continue et  produit des rubans dont la longueur peut atteindre le millimètre. Le but de mon projet de recherche est d'abord de concevoir la forme et l'interaction des biopolymère comme colloïdes (FD-virus) en utilisant la biochimie pour ensuite poser des question en physique de la matière condensée, c'est à dire élucider les voies par lesquelles ces cinétiques des particules allongées s'auto-assemblent.  Je vais relier  les propriétés mécaniques et optiques de ces structures macroscopiques  aux détails microscopiques des colloïdes constitutifs en utilisant un ensemble de techniques bien adapté à la matière molle, la science des matériaux et de la biologie quantitative en général. Caractérisation des systèmes colloïdaux sur de nombreux longueur des échelles donnera les principes généraux de conception nécessaires à une approche «bottom up» et de l'ingénierie hiérarchique de nouveaux matériaux nano-structurés avec des propriétés structurales et mécaniques prédéfinis, 
Approche multi-échelle et multimode pour caractériser les propriétés des matériauxNous visons à caractériser notre matériel sur plusieur échelles de longueurs. La structure locale de du matériau est étudiée avec les rayon-x à l'ESRF (synchrotron), tandis que la structuration a grandes longueurs d'onde est caractérisée à l'aide des techniques de microscopie: 2D-LC-PolScope pour mesurer l'orientation des bâtonnets, la fluorescence pour suivre les bâtonnets individuellement, DIC pour mesurer les fluctuations,  des pinces optiques pour manipuler et  mesurer l’élasticité des structures,
Résumé de la soumission : Les biomatériaux sont souvent structurés de manière hiérarchique de l'échelle microscopique (angström-nanomètre) jusqu'a l'échelle macroscopique (millimètre). Un exemple concret vient de m'a propre recherche dans laquelle j'ai démontré que cette hiérarchie est basée sur le virus fd qui est utilisé comme brique élémentaire pour des assemblages macroscopiques. Aux plus petites échelles chaque virus est assemblé a partir d’un brin d’AND et de milliers de copies identiques des protéines major de recouvrement.  A l’échelle mésoscopique, l’attraction du a des polymères non-adsorbants  condense la phase diluée de virus en micro-membranes metastables.  Apres mélange tous les virus coalescent rapidement dans ce type de structure. Une paire de ces micro-membranes s’attire aussi mutuellement  du fait des polymères environnants et s’auto-organisent en ruban hélicoïdaux.  Ces rubans maximisent leurs interfaces du fait du control de la ligne de tension par la chiralite. Sur des échelles de temps plus longues ce processus de coalescence continue et les rubans atteignent des tailles millimétriques. Le but de ce projet est d’élucider les chemins par les quels des bio-polymères (ici des virus fd) s’auto assemblent en materiaux macroscopiques et d’établir une relation entre le macroscopique (proprietés structurelles, optiques et mechaniques des materiaux)  et l’achitecture des virus fd a l’échelle microscopique. Ces virus seront de plus modifier génétiquement afin de réaliser des rapport d’aspect allant de 300 nm a 3000 nm. Dans une première partie nous étudierons des membranes colloïdales. Ces membranes sont a l’équilibre thermodynamique et sont obtenus en mixant des polymères non-adsorbant a une solution isotrope de virus. On changera la porté de l’attraction, induite par les polymères, entre les virus pour cristalliser ces membranes. Dans une seconde partie, nous développeront des virus avec faible rapport d’aspect afin d’induire une transition de membrane a vésicule. Finalement, nous développerons des virus avec un grand rapport d’aspect afin de former des phases vitreuses.Au niveau des techniques, nous placerons notre attention a relier entre elles les propriétés structurelles (microscopie et diffusion du rayonnement ), mécaniques (rhéologie) et dynamique (microscopie et diffusion du rayonnement ) de ces assemblages macroscopiques a tous les niveaux d’ échelles hiérarchiques. Ce projet est orienté par mon travail de recherche actuel et s’inscrit bien dans la thématique de développement du laboratoire d’accueil (LPENS a Lyon).
Résultats : Synthèse de bio-colloïdes: 
Jusqu'à présent, nous avons développé une nouvelle génération de colloïdes biologiques en utilisant des mutations sur le virus de fd-wild type. En particulier, nous avons crée un virus qui est identique au fd wild type excepte pour sa chiralité, il s'incline naturellement par rapport a ces voisins dans le sens antihoraire tandis que fd -wild type s'incline dans le sens horaire. Nous avons aussi développer un mutant qui est 1,3 fois plus lond que le fd wild type.  
Physiques:
1-La frustration géométrique et les défauts topologiques résultant jouent un rôle important dans
la détermination des propriétés structurelles, mécaniques et optiques des matériaux. Toutefois, localisée, la structure de défauts rend difficile leurs études dans les systèmes moléculaires. Nous décrivons un défaut de ligne, appelée pi-wall qui est incorporé dans membranes colloïdales 2D
composé de batonnets chiraux (fd-wild type). La taille des batonnets constitutifs permet une caractérisation très détaillée du defaut. La microscopie optique révèle la structure et l'énergétique du piwalls, et illumine un   processus de coalescence conduisant à leur formation. en outre
d'etre forme par coalescence de dux membranes, les pi-walls peuvent également être conçus en utilisant des forces optiques. Le système de modèle de pi-walls permet des études fondamentales sur des aspects universels de l'interaction entre les défauts de ligne qui sont directement applicables à divers systèmes colloïdaux et moléculaire. D'un point de vue des applications, l'impression de pi-wall ouvre une nouvelle voie pour l'assemblage de reseaux complexe  2D et sert également de moule pour l'organisation de colloïdes. L'article est sur le point soumis. 
2- Nous avons démontré que les mélanges de virus avec chiralité opposée forment encore des membranes colloïdales homogènes, mais ponctué de défauts. Ce projet est en cours et un article est en préparation.
Perspectives : Nous allons mélanger des virus de deux longueurs différentes pour voir s'ils démixent. Si c'est le cas cela pourrait être un système modèle pour approcher le problème de 'membrane rafts'.
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