Nanostructures et biomolécules : biomédecine et nanotoxicité / Nanostructures and biomolecules: biomedicine and nanotoxicity
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Du fait de leur taille, les nanoparticules peuvent interagir avec les éléments du vivant, de la cellule à la molécule biologique. Ceci peut être mis à profit en médecine pour cibler des traitements, mais peut aussi présenter des effets indésirables, lors d'une forte exposition.

Les équipes de l'IRAMIS travaillent selon ces deux voies d'importance sociétale majeure, et plus particulièrement sur :

  • Ecotoxicité  et nanoparticules (équipes NIMBE/LIONS et /LEDNA)
  • Matériaux bio-inspirés
  • Nano-médicament

Nanostructures and biomolecules: biomedicine and nanotoxicity

Due to their size, nanoparticles interact with the elementary objects of the living, from cells to biological molecules. This can be used in medicine to target treatments, but can also have undesirable effects at high exposure levels.

IRAMIS teams are working along both of these pathways of major societal importance, mainly on :

  • Ecotoxicity and nanoparticles (NIMBE/LIONS and /LEDNA teams)
  • Bio-inspired materials
  • Nano-medicine
#2792 - Màj : 12/07/2023
Faits marquants scientifiques

Michal Swierczewski, Plinio Maroni, Alexis Chenneviere, Mohammad M. Dadras, Lay-Theng Lee, Thomas Bürgi

Nanoscale particles attract much attention due to their size-dependent optical, electrical and chemical properties. Of particular interest are ultrasmall metal nanoclusters which experience strong quantum confinement effect leading to profound changes in the atomic packing structure. The synthesis of these atomically precise metal clusters, typically with metal cores smaller than 2 nm in diameter, makes use of stabilizing functional molecules such as thiol ligands, hence deriving the common name – monolayer-protected clusters (MPCs). The next stage toward applications and at the same time a challenge in the field, is the manipulation and controlled organization of MPCs into two dimensional (2D) superlattices which would exhibit a collective response of the desired kind. Multiple examples of deposition techniques have been extensively studied, including droplet evaporation, spin-coating and chemical vapor deposition. However, a common drawback of all these methods is the failure to form large-scale structures of closely packed particles. Here, we study the formation and deposition of extended thin films of Au38(SC2H4Ph)24 nanoclusters onto solid supports by the Langmuir-Blodgett (LB) method. A combination of techniques, atomic force microscopy (AFM), high magnification transmission electron microscopy (TEM), X-ray reflectivity (XRR), and grazing incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) is applied to reveal the morphology and the degree of vertical and in-plane ordering of the transferred films. We find that while a degree of order is initially obtained between the clusters, temporal annealing of the compressed films successfully removes mesoscopic defects between islands of nanoclusters but that it does so at the cost of reducing the local order within the domains. To our knowledge, this is the first reported example of the deposition on an extended scale (several cm2) of ordered gold nanoclusters in the small size regime of 1 – 2 nm.

La "corona" désigne l'enveloppe de protéines qui entoure spontanément toute nanoparticule plongée dans un milieu biologique. Elle joue un rôle important dans les mécanismes couramment en jeu en nanomédecine et nanotoxicologie. En étudiant un système modèle de nanoparticules de silice plongées dans une solution d'hémopotéines, il vient d'être montré que les mécanismes d'assemblage de cette corona est fonction de la taille des protéines, ce qui montre la nécessité d'intégrer ce facteur dans les études protéomiques et toxicologiques.


Li Shi, Florent Carn, Arsen Goukassov, Eric Buhler, and François Boué

Mixing negatively charged polyelectrolyte (PEL) with positively charged gold nanoparticles (Au NPs) in aqueous solution results in electrostatics complexes of different shapes and compactness. Here, when complexing with a semirigid PEL hyaluronic acid (HA), we obtain crystals made of nanoparticles in a new region of the phase diagram, as evidenced by small-angle Xray scattering (SAXS). The Au NPs were initially well dispersed in solution; their size distribution is well controlled but does not need to be extremely narrow. The bacterial hyaluronic acid, polydispersed, is commercially available. Such rather simple materials and mixing preparation produce a highly ordered crystalline phase of electrostatic complexes. The details of the interactions between spherical nanoparticles and linear polymer chains remain to be investigated. In practice, it opens a completely new and unexpected method of complexation. It has high potential, in particular because one can take advantage of the versatility of Au NPs associated with the specificity of biopolymers, varied due to natural biodiversity.

Les nanomédicaments sont considérés comme des thérapies prometteuses pour le traitement du cancer. Cependant, leur utilisation clinique reste encore limitée, dû en partie au fait que leur comportement biologique n'est pas encore vraiment élucidé. Extraire des théories générales à partir de la grande variété de nanoparticules et des conditions de leur utilisation reste en effet difficile, et les techniques pertinentes font défaut pour obtenir des informations in situ.

Dans ce travail, ces deux aspects du problème sont abordés en combinant des nanoparticules modèles de nature variable avec des outils in situ basés sur des techniques de diffusion de aux petits angles (SAS, rayons X ou neutrons). La stratégie repose sur le développement d’une bibliothèque de nanoparticules greffées de polymères avec des cœurs d’or identiques, afin de réaliser une étude systématique de leurs interactions avec les systèmes biologiques. Il est ainsi montré qu'une modulation de la chimie des polymères modifie les propriétés de surface, tout en conservant la même structure des nanoparticules, ce qui permet une comparaison fiable entre les objets.

Quatre aspects spécifiques ont été plus particulièrement examinés: la stabilité colloïdale, la captation cellulaire, la toxicité et la diffusion dans la matrice extracellulaire. De manière intéressante, il a été montré que la copolymérisation entre les monomères hydrophobes et chargés positivement contribue à réduire significativement la toxicité des nano-objets tout en conservant une bonne internalisation cellulaire. Les techniques SAS ont ainsi fourni des informations précieuses in situ sur l'évolution et la migration des nanoparticules dans des environnements biologiquement pertinents (milieux de culture cellulaire et matrice extracellulaire). [1, 2, 3]

Aline Maire du Poset, Mikaela Börjesson, Céline Rameau, Claire Madeleine-Perdrillat, Adrien Lerbret, Camille Loupiac, Fabrice Cousin, Ali Assifaoui

We show here how the structure of polygalacturonate (polyGalA) hydrogels cross-linked by Ca2+ cations via external gelation controls the loading and release rate of beta-lactoglobulin (BLG), a globular protein. Hydrogels prepared from a polyGalA/BLG solution are found to be similar to those obtained from a polyGalA solution in our previous study (Maire du Poset et al. Biomacromolecules 2019, 20 (7), 2864–2872): they exhibit similar transparencies and gradients of mechanical properties and polyGalA concentrations. The nominal BLG/polyGalA ratio of the mixtures is almost recovered within the whole mixed hydrogel despite such strong concentration gradients, except in the part of the hydrogels with the largest mesh size, where more BLG proteins are present. This gradient enables one to tune the amount of protein loaded within the hydrogel. At a local scale, the proteins are distributed evenly within the hydrogel network, as shown by small-angle neutron scattering (SANS). The release of proteins from hydrogels is driven by Fickian diffusion, and the release rate increases with the mesh size of the network, with a characteristic time of a few hours. The specific structure of these polysaccharide-based hydrogels allows for control of both the dosage and the release rate of the loaded protein and makes them good candidates for use as oral controlled-delivery systems.


Formuler un substitut sanguin capable de transporter efficacement l’oxygène, sans toxicité biologique ou chimique, et dont la préparation serait peu coûteuse pour de très grandes quantités, est un graal qui remonte au XVIIème siècle [1]. De nombreuses solutions ont été avancées, notamment à base d’hémoglobines, protéines d’origine humaine, animale ou bactérienne qui transportent l’oxygène dans le sang. Aucune piste n’a permis jusqu’à présent de proposer un produit acceptable par les autorités de santé.

Une équipe d'IRAMIS, en collaboration avec deux équipes de l'institut Frédéric Joliot, et avec une jeune start-up : LBP propose une nouvelle voie : Il est montré que la molécule CB5(OH)10 est capable de complexer efficacement dans sa cavité le dioxygène d'une solution physiologique [2]. CB5(OH)10 appartient à la famille des cucurbiturils, en référence à leur forme qui ressemble à celle d'une citrouille. La propriété d'encapsulation du dioxygène par CB5(OH)10 est comparable, en son principe, à celle de l'hémoglobine, principal vecteur de transport du dioxygène dans le sang. La start-up ambitionne de proposer un substitut sanguin entièrement thermostable et synthétique, donc sans aucun risque infectieux.

Des chercheurs de l’I2BC@Saclay et de l’UMR NIMBE, en collaboration avec le Laboratoire Léon Brillouin (LLB), ont analysé la structure de la couronne composée de deux protéines modèles adsorbées sur des nanoparticules de silice, en utilisant la technique de diffusion des neutrons aux petits angles. Ils montrent que les structures formées sont de véritables nanoassemblages contrôlés, dans lesquels les protéines conservent leur forme.


​Une collaboration entre une équipe de l'IRAMIS/NIMBE et deux équipes de l'I2BC@Saclay mettent en évidence l'affinité très forte de nanoparticules de silice pour des protéines de liaison de l'ARN présentant des séquences de base nucléique à motifs RGG (R = Adenine ou Guanine - Guanine-Guanine). Cette affinité est plus particulièrement renforcée lorsque celles-ci sont méthylées. Ces résultats sont importants pour le développement d'approches "safe by design", visant à minimiser l’écotoxicité des nanomatériaux, dès la conception d’un produit.


Ce que nous révèle la structure des biominéraux...

Chez les organismes vivants, les processus de biominéralisation régulent la croissance des tissus minéralisés, tels que les dents, les os, les coquilles… Ces procédés restent fascinants à étudier pour une meilleure compréhension du monde naturel qui nous entoure et de sa diversité, d'autant plus que ces recherches peuvent contribuer à l'élaboration de procédés biomimétiques pour la réalisation de nouveaux matériaux.

Une équipe interdisciplinaire française, à laquelle participe l'équipe du LIONS de l'UMR NIMBE, s'est intéressée à la bio-formation du carbonate de calcium, dont la structure complexe est encore largement incomprise. La texture complexe de matériaux naturels, observés auprès du synchrotron de l'ESRF par une méthode originale de diffraction de rayons X développée par l'Institut Frenel, est décrite et les résultats publiés dans la revue "Nature Materials". Un point de départ pour comprendre l'élaboration de ce composé, et définir les conditions physiques, chimiques et biologiques nécessaires pour produire de façon synthétique ce type de biominéraux.


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