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)

Cadmium selenide nanocrystals for specific interactions with biomolecules

Geissbühler, Isabelle ; Vogel, Horst (Dir.) ; Grätzel, Michael (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3207.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    The goal of this work was to produce water-soluble fluorescent semiconductor nanocrystals suitable to interact specifically with biomolecules and thereby creating hybrid supramolecular structures composed of nanocrystals and proteins. Hydrophobic TOPO-coated cadmium selenide (CdSe) nanocrystals (NCs) were synthesized using published protocols (TOP/TOPO method). The challenge was to find a novel procedure to solubilize and functionalize the NCs in water for further specific interactions with biomolecules. We therefore coated the NCs with a lipid mono-layer (lipid-NCs) in a one-step process. The lipid monolayer made the NCs water soluble and simultaneously allowed to decorate the NCs surface with different functional groups. The resulting lipid-NCs are functionalized, fluorescent and stable; they can thus be used for further interaction with biomolecules. The ability of the functionalized lipid-NCs to bind specifically to biomolecules was demonstrated for His6-NCs, biotin-NCs and NTA-NCs (hexahistidine, biotin and nitrilotriacetic acid NCs) using fluorescence resonance energy transfer (FRET). Multifunctional NCs were also produced by decorating the NCs with biotin and NTA simultaneously; these NCs showed specific interactions toward to the complementary partner molecules. The properties of the lipid monolayer coat on the NCs surface were characterized by investigating its interaction with the peripheral membrane protein cytochrome c. This protein bound to the lipid-NCs only in the presence of negatively charged lipids, very similarly as in the case of lipid vesicles and mitochondrial membranes. The functionalized-NCs could also be immobilized on micro-patterned surfaces for creation of a photostable, fluorescent patterned surface for biosensor applications. We could observe via FRET the specific binding of a fluorescent protein on the NCs patterns.
    Résumé
    Le but de cette thèse était la production de nanocrystaux (NCs) fluorescents et leur utilisation pour la création d'assemblage hybride entre les NCs et des molécules biologiques comme des protéines. Cette recherche s'est orientée dans la modification de la surface des NCs de semi-conducteur CdSe par recouvrement d'une couche lipidique. Pour obtenir des NCs ayant des propriétés optiques intéressantes, leur synthèse se fait en milieu organique (oxyde de trioctylphosphine, TOPO) à haute température et résulte donc en la formation de colloïdes solubles dans les milieux organiques. Le problème était alors de trouver un moyen de les solubiliser dans l'eau et de les fonctionnaliser pour permettre des interactions spécifiques avec des biomolécules. Nous avons ainsi développé un moyen efficace et versatile de solubiliser et fonctionnaliser simultanément les NCs en les enveloppant avec une monocouche de phospholipides comprenant des lipides fonctionnalisés (lipide-NCs). Ces lipides-NCs fonctionnalisées interagissent spécifiquement avec les biomolécules complémentaires, ceci a été démontré par transfert résonnant d'énergie de fluorescence en solution (FRET) avec des biomolécules complémentaires fluorescentes. L'adsorption d'une protéine périphérique, ici le cytochrome c, sur la surface des lipide-NCs a été étudiée, démontrant la possibilité pour la monocouche de mimer une biomembrane. L'interaction de la protéine périphérique avec la monocouche de lipides concorde avec les observations qui ont été faites auparavant sur des vésicules ou sur la membrane interne des mitochondries. Les lipide-NCs fonctionnalisées ont été spécifiquement immobilisées sur des surfaces microstructurées résultant en des micro-domaines fluorescents et photostables applicables à des biosenseurs. L'attachement spécifique d'une protéine fluorescence est également démontré par FRET.