Interaction between Orange Carotenoid Protein and mesoporous silica : from spectroscopic investigations to photoactive nanodevices
Interaction entre la Orange Carotenoid Protein et la silice mésoporeuse : des investigations spectroscopiques aux nanodispositifs photo-actifs
Résumé
This thesis deals with the study of interactions between the Orange Carotenoid Protein and mesoporous silica SBA-15, aiming to the development of photoactive nano-devices. The photoactive Orange Carotenoid Protein (OCP) is a protein involved in photo-protective responses in cyanobacteria. It induces the thermal dissipation of excess solar energy counteracting oxidative stress and photodamage. OCP consists of two structural domains sharing a non-covalently linked antioxidant carotenoid as a chromophore. Blue light induces photoactivation of OCP and its colour changes from orange to red. SBA-15 (Santa Barbara Amorphous) was chosen as an inorganic support for OCP aiming at the development of photochromic bio-compatible nanodevices. SBA-15 is a mesoporous silica matrix that has attracted much attention as host for immobilization of enzymes as well as drug delivery systems. The structural parameters of SBA-15, such as the diameter of pores, can be modified by tuning parameters of its synthesis. Furthermore, the ability to modify the surface properties of SBA-15 can provide higher protein immobilization capacity. In this work we have immobilized OCP on different kinds of raw and surface-functionalized SBA-15 mesoporous silica nanoparticles, and we have structurally characterized the systems. SBA-15 matrices have demonstrated to be suitable supports for OCP, whose immobilization is strongly enhanced by the pre-photoactivation of the protein. OCP remains photoactive inside the mesoporous silica matrix, thereby producing photochromic nanoparticles. FTIR difference spectroscopy studies strongly suggest that the photoactivation mechanism is the same as in solution, and very similar for all the studied OCPs. Furthermore, under appropriate conditions, OCP can also be released from SBA-15 nanoparticles. Finally, we have developed photoactivable nanodevices with intensity-tuneable fluorescence based on OCP- and dye-loaded SBA-15 nanoparticles. More in details, we have immobilized synthetic cyanine dyes or natural fluorescent antioxidant flavonols on SBA-15, in presence of OCP. Blue light illumination was found to provide reversible quenching of red or green fluorescence under green or violet illumination, respectively. In addition, SBA-15 act not only as a biocompatible scaffold, but also as a protecting agent against aging of the developed nanodevices.
Ce projet de thèse concerne l’étude des interactions entre la Orange Carotenoid Protein (OCP) et la silice mésoporeuse SBA-15, visant à la mise au point de nanodispositifs photo-actifs. La OCP est une protéine photo-active impliquée dans la photoprotection des cyanobactéries. Il implique la dissipation thermique de l’excès d’énergie solaire en prévenant le stress oxydatif et les photo-dommages. L’OCP se compose de deux domaines structurels partageants un caroténoïde antioxydant, qui agit comme chromophore. La lumière bleue induit la photo-activation de l’OCP et son changement de couleur de l’orange au rouge. La SBA-15 a été choisie comme support inorganique pour l’OCP, visant à développer des nanodispositifs photochromiques biocompatibles. En effet la SBA-15 est largement utilisée pour l’immobilisation des protéines. Les paramètres structurels de la SBA-15, tels que le diamètre des pores, peuvent être modifiés en ajustant les paramètres de sa synthèse. Dans ce travail, nous avons immobilisé l’OCP sur différents types de nanoparticules de silice mésoporeuse SBA-15, vides ou fonctionnalisées en surface. Nous avons ensuite caractérisé structurellement les systèmes. Les matrices de SBA-15 se sont avérées être des supports appropriés pour l’OCP, dont le taux d’immobilisation est fortement renforcé par la pré-photo activation de la protéine. L’OCP reste photo-active à l’intérieur de la matrice de silice mésoporeuse, produisant ainsi des nanoparticules photochromiques. Les études de spectroscopie IRTF différentielle suggèrent que le mécanisme de photo-activation est le même qu’en solution, et très similaire pour tous les types d’OCP étudiés. En outre, dans des conditions appropriées, l’OCP peut également être relarguée à partir des nanoparticules de SBA-15. Enfin, nous avons développé des nanodispositifs photo-activables avec une fluorescence réglable en intensité, basée sur des nanoparticules de SBA-15 chargées de colorants et OCP. Plus en détail, nous avons immobilisé des molécules colorants et fluorescents (cyanine ou flavonols) sur la SBA-15, en présence d’OCP. L’éclairage à lumière bleue entraine une diminution réversible de la fluorescence. Également, la SBA-15 agit non seulement comme un échafaudage biocompatible, mais aussi comme un agent de protection contre le vieillissement des nanodispositifs développés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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