Projet ANR-08-BLAN-0185 – NANO-BAC : Nanocrystals-bacteriorhodopsin hybrid materials as electric field controllable light emitters with photo-voltaic properties.
Programme : Blanc (BLANC) 2008
Année de financement : 2008
Coordinateur du projet : UNIVERSITE DE REIMS (UNIVERSITE DE REIMS)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique; Université de Reims Champagne-Ardenne; Université de Reims Champagne-Ardenne
Montant : 450000.0 euros
Date de début : 2009
Durée : 36 mois
Résumé : Nous proposons de développer un nouveau matériau hybride nano-biologique et d'étudier l'interaction de nanocristaux luminescents «quantum dots» (QDs) avec la protéine membranaire bactériorhodopsine (bR) incorporée dans la membrane pourpre (MP) des bactéries Halobacterium salinarum. Sous l'effet de la lumière, la bR agit comme une pompe de transport de protons du côté interne au côté externe de la MP. Le gradient de protons qui en résulte initie une séquence cyclique d'états photo-intermédiaires distincts (photo-cycle) aboutissant au changement de l'absorption de la bR du bleu au rouge. La haute efficacité quantique de l'état initial de la bR garantit la photo-isomérisation du chromophore (rétinal), liée à la protéine de la bR, et située au centre de la MP à 25 Å seulement de chacune des surfaces de la MP. De ce fait l'émission fluorescente des QDs couplées à la MP peut être modulée par un phénomène de transfert d'énergie par résonance en fluorescence (FRET) entre les QDs (les donneurs d'énergie) et la bR fortement absorbante (l'accepteur), qui dépend du stade du photo-cycle de la bR. Ceci nous permettra de construire un émetteur optiquement commutable à l'échelle nanométrique. Il est bien connu qu'un champ électrique perpendiculaire au film orienté de la MP induit un changement spectral de la bR. Quand le champ électrique est interrompu, l'état pourpre est régénéré et ce processus est complètement réversible et très robuste. Par conséquent, le matériau hybride orienté QDs-bR opérant dans le régime FRET peut être contrôlé électriquement. Dans ce cas, la variation du champ électrique changera la couleur d'absorption de la bR, modulant ainsi le FRET entre les QDs et la bR. Cette variation changera l'intensité et la longueur d'onde de la lumière émise par le matériel hybride. Il est évident que des matériaux émettant de la lumière dépendante de champs électriques pourraient avoir de nombreuses applications en optoélectronique. Les QDs immobilisés sur la PM serviront aussi d'antenne collectrice de lumière, qui convertiront les photons de longueurs d'ondes allant de l'UV proche au bleu en photons pouvant être absorbés par la bR et utilisés comme générateur de tension plus efficace. Ceci constituera ainsi une nano-unité de matériau photovoltaïque nouveau.La purification de routine de la MP produit des fractions homogènes composées de lipides et d'une seule protéine, la bR. La stabilité à long terme de la MP vis-à-vis de températures jusqu'à 140°, de la dégradation chimique ou photochimique, de valeur de pH extrême, etc., associée à ses propriétés photochromiques, ont fait de la bR un des candidats biologiques les plus prometteurs pour les applications techniques. La MP peut être déshydratée ou polymérisée dans une matrice. Le nombre important de brevets concernant les applications de la bR est un indicateur fort du potentiel commercial de la MP dans des applications techniques. Par ailleurs, les propriétés optiques uniques des QDs quand ils sont couplés à la MP n'ont pas encore fait l'objet d'investigations, en particulier en ce qui concerne leur utilisation en optoélectronique. Nous considérons que la stratégie combinant les propriétés uniques quantiques des émetteurs QDs avec les propriétés de commutateur optique à l'échelle nanométrique des fragments de MP, doit rendre possible une nouvelle approche pour préparer des nano-matériaux capable d'effectuer un transfert d'énergie efficace. Notre approche consistant à développer un nano-système hybride QD/bR a l'originalité de proposer un élément photonique, sous la forme d'un QD, pouvant enregistrer et transmettre des fonctions biologiques qui dépendent de l'irradiation. Le projet NANO-BAC permettra:1. La fabrication d'un nano-matériau hybride bR-QD comme exemple de matériaux avancés pour lesquels la biotechnologie est utilisée pour les procédés de production des protéines et la nanotechnologie pour la conception de nanostructures, qui amélioreront et adapterons les fonctions biologique