Les rythmes sont présents dans de nombreux aspects du vivant, comme les rythmes circadiens ou métaboliques. Beaucoup d’entre eux se situent au niveau cellulaire et présentent des conséquences sur l’évolution des cellules communicantes, comme la morphogénèse. Tous ces processus nécessitent un rétrocontrôle. Dans ce projet, notre but sera de mimer ces fonctions spatio-temporelles des cellules. Nous proposons de synthétiser des micro-compartiments ayant une activité rythmique, utilisant des réactions enzymatiques oscillantes dans des émulsions purement aqueuses.
Pour ce faire, nous exploiterons le concept des émulsions eau-dans-eau (W/W) issues de mélanges de systèmes diphasiques aqueux appelés ATPS. Ces systèmes présentent l’avantage de séquestrer des enzymes dans les micro-gouttes, sur la base de leur coefficient de partage, tout en respectant leur intégrité et donc leur activité biologique, de par les conditions de préparation douces. Le micro-compartiment sera séparé de la phase continue par une membrane de nanogels (NGs) interconnectés, dont le rôle est double : i) elle doit assurer la stabilité des émulsions par adsorption des NGs à l’interface, ii) elle doit servir de membrane poreuse, de perméabilité ajustable. En choisissant des NGs stimulables, sensibles à la rétroaction, la membrane stimulable devrait être asservie à la réaction enzymatique. Il s’ensuit une modulation de la perméabilité au substrat et donc l’arrêt temporaire de la réaction enzymatique. Grâce à une synchronisation précise de la réaction enzymatique et du processus de diffusion, il sera possible de préparer des systèmes à alimentation rétrocontrôlée, présentant un comportement rythmique auto-entretenu.
D’un point de vue pratique, le projet sera conduit sur la base de l’exemple spécifique de la glucose oxydase (GOX) comme enzyme. Encapsulée dans les compartiments, cette enzyme oxydera le glucose et produira une chute locale de pH. Le pH sera utilisé comme levier pour contrôler la perméabilté des NGs au glucose, grâce à la mise au point de nouveaux NGs biphiliques pH-sensibles. La glucose déhydrogénase sera considérée comme une solution alternative. L’objectif sera atteint par un plan d’action progressif en plusieurs étapes. En tout premier lieu, la réaction enzymatique sera étudiée dans des micro-compartiments non réactifs, puis la membrane sera utilisée pour moduler l’activité enzymatique, et enfin la perméabilité de la membrane sera couplée à la réaction.
Finalement, une fois que les oscillateurs unitaires seront développés, nous nous intéresserons à leur comportement collectif. Ceci nous permettra d’appréhender les processus de synchronisation et de communication. Chaque oscillateur peut échanger des informations chimiques avec ses voisins par diffusion d’ondes chimiques. Nous étudierons comment l’activité d’un oscillateur perturbe ses voisins et sur quelle échelle de distance. Cette étude devrait ouvrir les portes vers la génération de structures spatio-temporelles.
La réalisation de ce projet repose sur un consortium d’expertises complémentaires : d’un côté, la physico-chimie de la matière molle, avec la synthèse de NGs d’activité interfaciale contrôlée ainsi que le contrôle de la stabilité des émulsions W/W, qui permettra de développer des micro-compartiments purement aqueux, métastables, définis, et faciles à fabriquer; d’un autre côté, l’expertise en biologie synthétique, combinant électrochimie et microfluidique, permettra un suivi approfondi des cinétiques enzymatiques dans des conditions variées. L’ensemble permettra de relever le défi pour la construction d’oscillateurs enzymatiques.
Dans l’ensemble, le projet contribuera à améliorer les connaissances fondamentales dans le domaine des réactions biochimiques en milieu confiné. De plus, il ouvrira de nouvelles perspectives en matière d’applications, puisqu’il permettra la manipulation de systèmes compartimentés aqueux, métastables, possiblement stimulables, voire actifs et autonomes.