Maîtriser la construction d’assemblages de biopolymères pour faire émerger une nouvelle fonction : Des couleurs sans colorant, les couleurs structurelles

Lors du dépôt d’un film fin à la surface d’un support réfléchissant, une couleur apparaît lorsque l’épaisseur de la couche atteint une épaisseur comprise entre 70 et 200 nm (Figure). La couleur est due à un phénomène d’interférence des ondes lumineuses : une partie du rayon incident est réfléchie sur l’interface air-film, tandis  que  l’autre  partie  est  transmise à travers la couche puis  réfléchie  sur  la  deuxième interface  film/substrat (dans notre cas du silicium). Les rayons réfléchis ayant des parcours optiques différents, ils sont en décalage de phase et interférent entre eux, provoquant ainsi l’apparition d’une couleur. La couleur n’est donc pas dûe à la présence d’un colorant mais à l’architecture de l’assemblage. Ce phénomène bien connu chez certains insectes ou plantes est appelé couleur structurelle. Il peut également être obtenu à partir d’un film formé de biopolymères. Lorsque ce film est mis en contact avec une solution contenant une enzyme capable de dégrader le biopolymère, l’altération du film provoque la disparition ou la modulation de la couleur.

De tels détecteurs n’ont encore jamais été réalisés et nos travaux ont donné lieu à un dépôt de brevet. Ces détecteurs pourront par exemple être utilisés par exemple comme tests de criblage haut débit de banques d’activités enzymatiques (banques métagénomiques par exemple) ou bien encore pourront permettre de façon simple le suivi d’expression d’une enzyme dans un milieu de culture. Les principaux avantages de cette méthode par rapport aux méthodes existantes sont i) la facilité de mise en oeuvre car les activités sont détectées visuellement sans besoin d’appareillages ou d’environnements sophistiqués, ii) la rapidité de la détection (quelques minutes), iii) la sensibilité de détection, iv) la possibilité de miniaturiser la méthode permettant son intégration dans des dispositifs de criblage haut débit.

Une détection rapide, simple et sensible

 Les premiers films réalisés sont constitués de nanocristaux de cellulose et de xyloglucane obtenus par dépôts séquentiels des deux constituants (Figure). Cette méthode permet de contrôler de façon fine l’épaisseur des couches et donc la couleur, ainsi que de moduler la sensibilité du dispositif.  Les films obtenus ont été soumis à une dégradation par une cellulase commerciale capable d’hydrolyser le xyloglucane et la cellulose, en comparaison à une méthode classiquement employée dans des cribles de l’activité de la cellulase. Après quelques minutes d’application, les surfaces sont lavées et séchées. La modification de la couleur indique l’action de l’enzyme. La technique s’est avérée d’utilisation extrêmement simple et rapide à mettre en œuvre.

Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence que cette méthode présente une sensibilité nettement supérieure aux méthodes de criblage classiquement utilisées pour la recherche de nouvelles enzymes. Le gain de sensibilité observé par rapport à une méthode colorimétrique classique augmente d’un facteur 50. Depuis, nous avons étendu cette méthode à d’autres biopolymères (pectines, xylanes, protéines,…) et  les sensibilités déterminées sont jusqu’à 200 fois meilleures que celles de méthodes de détection colorimétrique prises en référence.

Illustration : Les films nanométriques sont obtenus par dépôts successifs de cellulose et de xyloglucane. La croissance du film est linéaire en fonction du nombre de dépôts (n) et une couleur apparaît après quelques cycles. Les couches sont soumises à l’action de solutions de cellulase possédant différentes activités enzymatiques. Après une incubation de quelques minutes suivi d’un lavage et d’un séchage, la couleur de la couche est modifiée ou disparaît totalement.

Vers de nouveaux tests de criblage haut débit    

 L’objectif applicatif de nos études est maintenant de développer en collaboration avec des équipes spécialistes des microsystèmes la miniaturisation des dispositifs et leurs intégrations dans des plaques d’analyse 96 puits, format le plus courant pour le criblage robotisé de banques génomiques compatibles avec tous les automates commerciaux. L’utilisation de cette méthode permettra un criblage rapide et sensible des banques qui sont actuellement en plein développement notamment à travers l’essor de la métagénomique et les enjeux liés aux biotechnologies blanches.