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Sujet de stage / Master 2 Internship

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Intermédiaire de nucléation dans la biocristallisation calcaire

Spécialité : PHYSIQUE / Physique des liquides

Contact : CHEVALLARD Corinne,
e-Mail : corinne.chevallard@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 52 23
Laboratoire : NIMBE/LIONS

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-4 mois
Date limite de constitution de dossier : 27/04/2018

Résumé :
L’étude de la minéralisation chez les organismes vivants, ou « biominéralisation », sera menée en développant des systèmes modèles physico-chimiques. Les expériences réalisées se focaliseront sur le biocristallisation calcaire, et auront pour but de tester l’hypothèse d’une séparation de phase liquide-liquide dans le processus de nucléation cristalline biogénique.

Sujet détaillé :
Les organismes vivants ont la capacité de produire des structures minérales, ou « tissus durs » (dents, os, exosquelettes, etc.), dont les formes et propriétés mécaniques sont totalement adaptées à la fonctionnalité biologique ciblée [1]. La compréhension fine des mécanismes de biominéralisation est activement recherchée car elle est un prérequis au développement de voies de synthèse bio-inspirées permettant l’élaboration de nouveaux matériaux avec un très faible apport énergétique. Trois traits caractéristiques de la biominéralisation calcaires semblent émerger : (i) la précipitation de la phase minérale s’effectue toujours sous le contrôle de macromolécules organiques [1]; (ii) une phase minérale amorphe pourrait apparaître transitoirement et serait à l’origine des morphologies complexes observées [2]; (iii) tous les biocristaux calcaires présentent une nanostructuration, sous la forme d’un assemblage de granules de forme sphéroïdale et de taille caractéristique allant de 50 à 500 nm [3].
Nous nous proposons d’utiliser le point de vue de la physico-chimie pour comprendre les mécanismes génériques de la biominéralisation [4]. Une hypothèse actuellement en cours est que, avant même la nucléation cristalline, une séparation de phase liquide-liquide pourrait générer un intermédiaire liquide enrichi en minéraux qui se solidifierait pour donner des « granules » amorphes. La cristallisation de ces granules, intervenant dans un deuxième temps, conduirait au biocristal sous sa forme définitive avec une cohérence cristalline étendue à quelques granules.
Dans le cadre de ce stage, nous testerons cette hypothèse en mettant en œuvre des expériences de minéralisation du carbonate de calcium en présence de macromolécules organiques, pour lesquelles une séparation de phase liquide-liquide est attendue [5]. Nous chercherons dans un premier temps à préciser les conditions expérimentales permettant le développement d’une telle séparation de phase, en effectuant notamment des expériences de titrage de solutions carbonatées par des solutions de calcium, et en réalisant un suivi de la concentration calcique à l’aide d’une électrode ionique adaptée. Lorsque les conditions seront identifiées, nous réaliserons des synthèses de cristaux dans ces conditions, supposées biomimétiques, et collecterons les cristaux formés afin de les caractériser par des techniques de laboratoire (microscopies optiques, spectroscopies IR/Raman, diffusion/diffraction X) et de les comparer aux biocristaux calcaires. Nous envisageons ici l’utilisation d’un dispositif microfluidique permettant le mélange rapide et reproductible des espèces réactives.
Ce stage se déroulera dans le cadre d’un projet européen (3D-BIOMAT, ERC consolidator grant) développé en collaboration avec des physiciens de l’Institut Fresnel (UMR 7249, Marseille) et des biologistes de la station IFREMER de Polynésie française. Les résultats obtenus permettront d’avancer dans la formulation d’un modèle physico-chimique de la biocristallisation calcaire, but ultime de ce projet.

[1] H.A. Lowenstam and S. Weiner, On Biomineralization (New York), 1989.
[2] L. Addadi, et al., Z. Kristallogr., 227: 711, 2012.
[3] Y. Dauphin, Mineral. Mag., 72: 243, 2008.
[4] Y.-H. Tseng, et al., CrystEngComm, 16: 561, 2014.
[5] L. B. Gower, D. J. Odom, J. Cryst. Growth, 210: 719, 2000.
Techniques utilisées au cours du stage :
Titrations chimiques et mesures sélectives d'ions (électrodes ioniques). Microscopie optique (biréfringence), électronique (SEM, TEM) et spectroscopies infrarouge/Raman, diffusion/diffraction X.

Mots clés : croissance cristalline, nanosciences, biominéralisation

Lien vers le laboratoire
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