Faculté des sciences de base SB, Section de chimie et génie chimique, Institut des sciences et ingénierie chimiques ISIC (Laboratoire de chimie physique des polymères et membranes LCPPM)

Integrated nanoreactor system : triggering (bio-)chemical reactions in single vesicles

Bolinger, Pierre-Yves ; Vogel, Horst (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3605.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    This thesis describes a method that allows the production in parallel of nano-reactor systems whose function is controlled by a remote stimulus. The reactors comprise a nested system of lipid vesicles part of which release their content during a thermotropic phase transition. The integration of all components (substrate and enzyme for instance) in a single element eliminates the need for external manipulation/intervention and therefore renders this nanoscopic system entirely autonomous. The smallest attainable size for vesicles (diameter 20 nm, volume 10-21 L) puts a lower limit to the total volume of the device of about 10-18 L making it ideally suited for manipulating interacting partners at the single molecule level. The proof of principle of individual reactors immobilized on glass is first characterized using confocal microscopy and a fluorescent dye that reports dilution during the release. In a further step, enzymatic reactions were performed and recorded by fluorescence microscopy down to single vesicle level. Initial reaction rates were evaluated and compared between several containers showing a dependency with encapsulated substrate concentration. Using vesicles of several different lipid phase transition temperatures, the process was extended to perform 2 consecutive enzymatic reactions. In addition to confined enzymatic reactions, the system was characterized by fluorescence correlation spectroscopy providing the determination of the concentration of fluorophores and small vesicles incorporated inside individual larger containers. Combination of this method with vesicle microarray technology will permit the simultaneous observation and quantitative analysis of confined (bio)chemical reactions in millions of separated reactors and may find applications as high-throughput screening of single enzyme reaction system. The possibility to perform multiple consecutive biochemical reactions may permit to use this system as artificial cells.
    Résumé
    Cette thèse décrit une méthode qui permet la production en parallèle d'un système de nano-réacteurs dont la fonction est commandée par un stimulus extérieur. Les réacteurs comportent un système des vésicules lipidique dont une partie libère leur contenu pendant une transition de phase thermodynamique. L'intégration de tous les composants (substrat et enzyme par exemple) dans une vésicule élimine le besoin de manipulation ou d'intervention externes, et rend donc ce système nanométrique entièrement autonome. La plus petite taille possible pour des vésicules (diamètre 20 nanomètres, volume 10-21 L) donne une limite inférieure à tout le volume du réacteur à environ de 10-18 L le rendant idéalement adapté pour manipuler les réactifs partenaires jusqu'au niveau de la molécule unique. La preuve du principe des réacteurs immobilisés sur le verre est d'abord caractérisée en utilisant la microscopie confocale et un colorant fluorescent qui permet le rapport d'une dilution pendant le relâchement au sein de chaque réacteur. Dans une autre étape, des réactions enzymatiques ont été exécutées et mesurées par microscopie de fluorescence dans plusieurs vésicules individuellement. Des vitesses initiales de réaction ont été évaluées et comparées entre plusieurs réacteurs montrant une dépendance avec la concentration de substrat encapsulé. Utilisant des vésicules ayant différentes températures de transition de phase lipidique, le processus a été étendu pour exécuter 2 réactions enzymatiques consécutives. En plus des réactions enzymatiques confinées, le système a été caractérisé par la spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) fournissant la détermination de la concentration des fluorophores et des petites vésicules au sein de plusieurs grandes vésicules individuellement. La combinaison de cette méthode avec des micro-technologies alignant les vésicules permettra l'observation simultanée et l'analyse quantitative (de bio) réactions chimiques confinées dans les millions de réacteurs séparés et peut trouver des applications comme un système de criblage de réaction d'enzyme unique. La possibilité d'exécuter de multiples réactions biochimiques consécutives peut permettre d'employer ce système comme cellules artificielles.