Ferritin nanocages used as programmable bricks for biomolecular electronics
Nanocages de ferritine pour l'électronique biomoléculaire
Résumé
Ferritin nanocages are ubiquitous proteins, widely known for their ability to handle iron atoms inside many living species. This particular protein has a unique architecture made of an amino acid shell with an iron core and has appeared as an attractive candidate to be incorporated into an electrical device (junction, solid-state transistor). The goal is to characterise the electrostatic properties, charge states, and interactions with a semi-conductor surface of ferritins for biomolecular electronics. Furthermore, the overall surface of ferritin (naturally negatively charged) can be modulated through bioengineering techniques (site-directed mutagenesis) to be positively charged. During this thesis, the ferritin nanocages were produced and bioengineered in the NTU laboratory in Singapore, and were characterised in solution using light scattering techniques (ELS, DLS). The mutations of the ferritins were performed by substitution of negative amino acids with positive ones, and the ferritin mutants showed a shift in their isoelectric point (IEP). In order to study the electrostatic behaviour of the ferritin proteins on a solid surface, they were deposited on a doped silicon substrate, and the sample surfaces were scanned by Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), which is an advanced technique of the atomic force microscopy that simultaneously measures the topography and the surface potential of a sample surface. The characterisation of ferritin immobilized on a silicon surface by KPFM reveals a change in the ferritin morphology (flattening) and electrostatics properties (surface potential) as a function of their iron content. Moreover, these results present a new method to determine the orientation and conformality of proteins directly on a solid surface by measuring their electric dipole. For the mutated ferritins, the surface potential measured by KPFM showed no change in the sign of the surface charge (from negative to positive), but significant changes are noticeable and indicate the modulation of the surface charge of the mutated ferritins. This study gives strong insight into the possible incorporation of the ferritin inside electronic devices. For this, other electrostatic interactions remain to be studied when a nanoparticle is deposited on a semi-conductor such as the formation of a Schottky barrier, which was investigated during this thesis with a model particle (50 nm gold nanoparticles) deposited on silicon and measured by KPFM. Based on the electrostatic study of the ferritin (and gold nanoparticles), one of the next ideas would be to achieve an active mixed monolayer of positive and negative ferritin that will be deposited onto a pseudo-MOSFET structure. The change in the positive/negative particle ratio will modulate the source-drain current.
Les nanocages de ferritine sont des protéines omniprésentes et largement connues pour leur capacité à manipuler des atomes de fer à l'intérieur de nombreuses espèces vivantes. Cette protéine possède une architecture unique composée d'une coquille d'acide aminé avec un noyau de fer et est apparue comme un candidat attrayant pour être incorporée dans un dispositif électrique (jonction, transistor à l'état solide). L’objectif de cette thèse est de caractériser les propriétés électrostatiques, les états de charge et les interactions avec une surface semi-conductrice des ferritines pour l'électronique biomoléculaire. De plus, la surface globale de la ferritine (naturellement chargée négativement) peut être modulée par des techniques de bio-ingénierie (mutagénèse dirigée) pour être chargée positivement. Au cours de cette thèse, les nanocages de ferritine ont été produits et bio-ingéniés dans le laboratoire de NTU à Singapour, et ont été caractérisés en solution à l'aide de techniques de diffusion de la lumière (ELS, DLS). Les mutations des ferritines ont été réalisées en remplaçant les acides aminés négatifs par des acides aminés positifs, et les ferritines mutantes ont montré un décalage de leur point isoélectrique (IEP). Afin d'étudier le comportement électrostatique des protéines de ferritine sur une surface solide, elles ont été déposées sur un substrat de silicium dopé, et les surfaces des échantillons ont été scannées par la microscopie de force à sonde de Kelvin (KPFM), qui est une technique avancée de la microscopie à force atomique qui mesure simultanément la topographie et le potentiel de surface d'une surface d'échantillon. La caractérisation de la ferritine immobilisée sur une surface de silicium par KPFM révèle un changement de la morphologie de la ferritine (aplatissement) et de ses propriétés électrostatiques (potentiel de surface) en fonction de sa teneur en fer. De plus, ces résultats présentent une nouvelle méthode pour déterminer l'orientation et la conformation des protéines directement sur une surface solide en mesurant leur dipôle électrique. Pour les ferritines mutées, le potentiel de surface mesuré par KPFM ne montre aucun changement dans le signe de la charge de surface (de négatif à positif), mais des changements significatifs sont perceptibles et indiquent la modulation de la charge de surface des ferritines mutées. Cette étude donne un bon aperçu de l'incorporation possible de la ferritine dans des dispositifs électroniques. Pour cela, d'autres interactions électrostatiques restent à étudier lorsqu'une nanoparticule est déposée sur un semi-conducteur, comme la formation d'une barrière Schottky, qui a été étudiée au cours de cette thèse avec une particule modèle (nanoparticules d'or de 50 nm) déposée sur du silicium et mesurée par KPFM. Sur la base de l'étude électrostatique de la ferritine (et des nanoparticules d'or), l'une des prochaines idées serait de réaliser une monocouche mixte active de ferritine positive et négative qui serait déposée sur une structure pseudo-MOSFET. La modification du rapport entre les particules positives et négatives modulera le courant source-drain.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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