study of the multivalent carbohydrate/protein interactions on silicon biosensors
Etude des interactions multivalentes carbohydrate/protéine sur des biocapteurs de silicium
Résumé
Specific carbohydrate/protein interactions play an important role in numerous physiological and pathological processes. Silicon-based biosensors have been envisaged for studying such interactions here. In a first approach, a multistep functionalization strategy was established on crystalline silicon via robust covalent Si-C bonds to incorporate oligo(ethylene glycol) units and generate a glycan-terminated monolayer by “click” chemistry. The functionalization process was carefully characterized by IR-ATR, AFM and XPS, leading to the formation of highly compact organic monolayers. The as-fabricated glycan-terminated surface showed good antifouling property towards non-specific lectins and excellent selectivity towards specific lectins. By using quantitative IR-ATR analysis and numerical simulation, we demonstrated the importance of the surface concentration of glycans to favor the multivalent binding of the glycan ligands on the surface with the specific lectins. In a second approach, the amorphous silicon-carbon alloy thin films coated on gold nanoparticles were used as the substrate for the elaboration of glycan microarray. Fluorescence imaging was used for the recognition specificity of the glycans clicked on the surface with the dye-labeled lectins. By optimizing the distance between the fluorophore and the nanoparticles, best localized surface plasmon resonance (LSPR)-enhanced fluorescence was achieved to improve the microarray sensitivity with a limit of detection at the picomolar level.
Les interactions spécifiques carbohydrate/protéine joue un rôle important dans de nombreux processus physiologiques et pathologiques. Cette thèse a mis au point des biocapteurs sur silicium pour l’étude de telles interactions. Dans une première approche, on a établi une stratégie de fonctionnalisation multi-étapes du silicium cristallin via des liaisons covalentes Si-C robustes pour accrocher des précurseurs propargyl-glycanes par chimie click. Chaque étape a été soigneusement caractérisée par IR-ATR, AFM et XPS, conduisant à la formation de monocouches denses composées d’entités oligo(éthylène glycol) et terminées par une fonction glycane (mannose ou lactose). Ces nouvelles surfaces de glycane ont montré une très bonne biorésistance aux lectines non spécifiques et une excellente sélectivité vis-à-vis de lectines spécifiques. En utilisant la spectroscopie IR quantitative et la simulation numérique, on a démontré l’importance de la concentration surfacique en glycane pour favoriser des interactions multivalentes entre les glycanes et la lectine spécifique (constantes d’affinité proche du micromolaire). Dans une seconde approche, on a mis au point une puce à glycanes constituée d’une couche mince de silicium amorphe carboné déposée sur des nanoparticules d’or sur verre. L’imagerie par fluorescence a validée la spécificité des interactions entre les glycanes clickées à la surface de la biopuce et des lectines fluorescentes. En optimisant la distance entre les lectines et les nanoparticules, l’exaltation de la fluorescence par les plasmons de surface localisées a permis d’augmenter la sensibilité de la biopuce au niveau du picomolaire.
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