Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de la matière complexe IPMC (Laboratoire de physique de la matière vivante LPMV)

Quasistatic and dynamic force microscopy of single antigen-antibody complexes and fibrin-fibrinogen systems

Chtcheglova, Lilia ; Dietler, Giovanni (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2946.

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    Summary
    The molecular processes based on the specific receptor-ligand interactions (e.g. immune response to a foreign antigen, communication between nerve cells, etc.) are essential for a good and stable performance of living organisms. The aim of the present work is to study such molecular processes with the Atomic Force Microscope (AFM) operated in Force Spectroscopy (FS) mode. Information such as the force and length of the ligand-receptor bond rupture could be obtained from the standard quasistatic FS studies, whereas no external dithering applied to the AFM tips. Firstly, the antigen-antibody interactions were examined with the Bovine Serum Albumin (BSA) protein and its poly- and two different monoclonal antibodies. It was shown that the peak unbinding force depends on the type of antibody and the antibody concentration. The single potential barrier is dominant for the interaction between BSA and monoclonal antibodies and was revealed from the loading rate-dependent measurements. Secondly, we are interested in the process of fibrin gel formation, in particular in the forces involved in this process. It was demonstrated that the fibrin-fibrinogen interaction is the specific one. The unbinding force rupture for single fibrin-fibrin(ogen) complex was determined to be of about 320 pN at a loading rate of 3.5 nN/s. The single potential barrier is also dominant for this interaction. Moreover, a new method of direct and continuous measurement of the spring constant of single molecules or molecular complexes has been elaborated in our laboratory. To this end, the standard FS technique with functionalized tips and samples is combined with a small dithering of the AFM tip. The change of the dithering amplitude as a function of the pulling force is measured in order to extract the spring constant of the complex. The potentialities of this technique were demonstrated for the experiments with single BSA – polyclonal antibody to BSA (Ab-BSA) and fibrinogen – fibrinogen complexes.
    Résumé
    Les processus moléculaires basés sur les interactions spécifiques récepteur-ligand (réponse immune vers l'antigène étranger, communication entre les cellules nerveuses, etc.) sont essentielles pour bonne et stable performance d'organismes vivants. Le but de cette thèse est l'étude de ces processus moléculaires avec l'aide de la Microscopie de Force Atomique (AFM) opérée dans le mode de Spectroscopie de Force (FS). L'information comme la force et longueur de liaison ligand - récepteur peut être obtenue par des études FS standard où il n'y a pas d'excitation externe appliquée sur les leviers. Dans un premier temps, les interactions antigène-anticorps entre BSA (Bovine Sérum Albumine) et ses anticorps polyclonaux et monoclonaux ont été examinées. Par l'expérience de « loading rate », nous avons démontré qu'une seule barrière de potentiel est dominante dans l'interaction entre BSA et ses anticorps monoclonaux. Nous nous sommes en suite intéressés aux premières étapes de polymérisation de la fibrine, en particulier, aux forces responsables dans ce processus. On a montré que l'interaction fibrine-fibrinogène est spécifique. La force de rupture du complexe fibrine-fibrinogène a été déterminée comme 320 pN à "loading rate" de 3.5 nN/s. Une seule barrière de potentiel est également dominante pour cette interaction. Une nouvelle méthode pour la mesure directe et continue de la constante de ressort de molécules et de complexes moléculaires a été élaborée dans notre laboratoire. Pour cela, la technique standard de FS a été combinée avec la petite modulation de leviers d'AFM. Le changement d'amplitude de vibration modulée est mesuré en fonction de force appliquée pour extraire la constante de ressort de système étudié. Les potentiels de cette technique ont été démontrés dans les expériences avec les complexes de BSA – anticorps polyclonaux et fibrinogène – fibrinogène.