Discussion autour du mécanisme d’action biologique des nano-antibiotiques

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Le mode d’action bactéricide des nano-antibiotiques hybrides AuNPs@Ampicilline n’a pas encore été clairement établi. L’antibiotique libre est connu pour inhiber l’acti-vité de l’enzyme transpeptidase responsable de la réticulation covalente dans la couche de peptidoglycane, réduisant ainsi la stabilité mécanique de la paroi cellulaire bacté-rienne. Dans le cas des souches bactériennes résistantes à l’ampicilline, ni l’antibiotique libre ni la nanoparticule seule n’ont un effet bactéricide. A partir de là, le fait que les nano-antibiotiques hybrides ont une activité bactéricide a donné lieu à deux hypothèses différentes dans la littérature. Dans la première, le mécanisme d’action de l’ampicilline libre est censé être conservé lorsqu’elle est conjuguée à une AuNP [1, 12]. Dans cette hypothèse, la résistance mise en place pour les antibiotiques libres pourrait être contour-née par un effet de concentration local. En effet, si les pompes à efflux sont inefficaces sur les nano-antibiotiques, la concentration intracellulaire en antibiotiques devient telle que les mécanismes de résistance en place pour les antibiotiques libres ne sont pas suffisants pour empêcher l’activité bactéricide. La deuxième hypothèse discutée dans la littéra-ture est la ruplittéra-ture de la membrane cellulaire [5]. Dans ce cas, les nano-antibiotiques induisent la lyse de la membrane cellulaire bactérienne, entraînant la libération des composants intracellulaires bactériens, puis la mort des bactéries. Dans cette hypo-thèse, les auteurs supposent que les nano-antibiotiques AuNP@Ampicilline agissent comme donneur/accepteur de liaisons hydrogène en raison des groupes fonctionnels de la molécule d’ampicilline et ”que la formation et la déformation des liaisons chimiques associées à la membrane cellulaire bactérienne provoquent la rupture de la membrane et la mort de la bactérie”. Dans ce cas, les nanoparticules non fonctionnalisées ne peuvent pas agir selon le même mécanisme en raison de l’absence de groupes fonctionnels per-mettant des liaisons hydrogène à leur surface. A notre connaissance, seules ces deux hypothèses ont été examinées dans la littérature. Il n’y a pas actuellement de consensus

3.8. Conclusion 143 sur le mécanisme d’action des nano-antibiotiques AuNP@Ampicilline, principalement parce que les hypothèses qui ont été avancées proviennent de différents groupes de re-cherche qui se sont concentrés sur une taille donnée de nano-antibiotiques. Pour révéler le(s) mécanisme(s) impliqué(s), il sera donc nécessaire de réaliser ces études en fonction de la taille du nano-objet. Notons que, dans une étude évaluant la nature des liaisons dans le système AuNPs@Ciprofloxacine, Tom et al. ont montré que la partie réactive des antibiotiques est exposée en surface [13]. Si l’on suppose que le mécanisme des antibiotiques libres est conservé lorsque l’antibiotique ampicilline est lié à l’AuNP, il est intéressant de noter que notre étude suggère que la partie réactive de l’antibiotique (c’est-à-dire la fonction carbonyle du cycleβ-lactam) reste exposée en surface [8], quel que soit le taux de couverture. La seule exception correspond au taux de couverture le plus élevé, lorsque la molécule est perpendiculaire à la surface, mais cette configuration n’est pas compatible avec les données expérimentales.

Figure 3.20 – Isosurfaces de densité électronique pour illustrer les liaisons à caractère covalent entre l’atome O4 et la surface Au(110) pour les dimèresβetβdéprotoné, et l’absence de cette liaison pour la surface Au(111) malgré une distance compatible. En rouge la zone d’interaction entre O4 et la surface, en vert les liaisons Au-O1 et Au-O2

3.8 Conclusion

La structure et les paramètres énergétiques associés des nano-antibiotiques

AuNPs-@Ampicilline ont été étudiés à l’aide de simulations numériques basées sur les premiers principes. Les interactions intermoléculaires se sont révélées très stabilisantes pour des taux de couverture compatibles avec les données expérimentales. Une zone de

couver-ture optimale a été déterminée, dans laquelle la combinaison d’une interaction surface-antibiotiques favorable et d’interactions intermoléculaires hautement stabilisantes peut conduire à une stabilisation globale du nano-antibiotique. On peut supposer qu’en réa-lité, les molécules antibiotiques qui recouvrent les nanoparticules s’organisent de façon encore plus optimale. Cependant, notre étude a permis de mettre en évidence les mé-canismes régissant l’adsorption de molécules d’ampicilline sur les surfaces d’or, méca-nismes qui peuvent s’étendre aux autres molécules du même type (d’autre antibiotiques proches chimiquement, ou des peptides eux aussi proches chimiquement par exemple).

En ce qui concerne le mécanisme d’action des nano-antibiotiques, cette étude a montré que le site actif de l’antibiotique libre reste exposé au solvant lorsque la couverture en ampicilline augmente.

Pour aller plus loin dans l’étude d’une auto-organisation optimale, il faudrait se li-bérer de la taille limitée du système due à l’utilisation de la DFT, et introduire un grand nombre de molécules dans notre cellule de simulation. Cette question dépasse le cadre de cette thèse, mais il est important pour comprendre le contexte d’étude du prochain chapitre de noter que nous adaptons actuellement au sein de notre équipe une méthode quantique approximée (DFTB) qui nous permettra de simuler des systèmes plus grands et donc plus proches des conditions réelles, tout en maintenant une descrip-tion du système au niveau électronique [14–17]. Ces développements nous permettront d’aller au-delà de la simple prise en compte des interactions antibiotique/AuNP et an-tibiotique/antibiotique et d’inclure dans nos calculs les forces induites par la courbure de la nanoparticule, la présence d’atomes sous-coordonnés sur les bords et les coins, ainsi que la présence du solvant, les ions et les molécules environnantes.

Afin de générer une base de donnée visant à permettre la validation des pa-ramètres DFTB développés, nous avons étudié l’adsorption sur les surfaces Au(100), Au(110) et Au(111) de trois groupements modèles (SCH3, OCH3 et NHCH3), repré-sentant les groupes fonctionnels principaux des antibiotiques susceptibles de s’adsorber sur de l’or. Ce travail sera décrit dans le chapitre suivant.

Au(110) Dimerα Dimer β Dimer βdepro

Taux de couverture 6.883 6.883 6.883

dAS−Au/dBS−Au 2.571/2.999 2.475/2.513 2.482/2.534 dAN3−Au/dBN3−Au 2.306/2.332 2.397/2.382 3.544/2.285 dAO1−Au/dBO1−Au 4.283/4.654 3.344/4.849 2.299/3.734 dAO2−Au/dBO2−Au 4.234/3.889 3.958/3.172 2.364/2.296 dAO3−Au/dBO3−Au 6.423/6.137 6.369/6.116 6.241/6.360 dAO4−Au/dBO4−Au 3.682/3.487 2.547/3.137 3.450/2.466 dAC1−O1/dBC1−O1 1.240/1.241 1.223/1.218 1.271/1.253 dAC1−O2/dBC1−O2 1.318/1.318 1.346/1.349 1.267/1.278 dAO2−H1/dBO2−H1 1.032/1.026 0.989/0.995 -dAN1−C2/dBN1−C2 1.392/1.393 1.401/1.401 1.407/1.390 dAC2−O3/dBC2−O3 1.214/1.214 1.212/1.213 1.212/1.215 dAN2−H2/dBN2−H2 1.019/1.020 1.020/1.022 1.020/1.019 dAC3−O4/dBC3−O4 1.233/1.235 1.240/1.237 1.236/1.253 dAN3−H3/dBN3−H3 1.027/1.026 1.032/1.029 1.028/1.043 dAN3−H4/dBN3−H4 1.130/1.032 1.035/1.025 1.031/1.031 dAS−N3/dBS−N3 6.491/6.516 5.680/6.361 6.248/5.501

dSA−SB 9.298 10.866 11.785

-Table3.8 – Paramètres géométriques sélectionnés (distances en Å et angles en degrés) pour les trois dimères d’ampicilline adsorbés sur Au(110). dφA−φB correspond à la distance entre les centres de masse des 6 atomes de carbone des deux groupes phényles.

Références 147

Références

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Chapitre 4

Adsorption comparée sur l’or du méthylthiolate, du méthanolate et de la méthylamine

4.1 Introduction

L’un des meilleurs moyens de réduire les temps de calculs nécessaires à la mini-misation énergétique des systèmes, tout en gardant un niveau de description à l’échelle électronique, est de démarrer la simulation en partant d’une configuration la plus proche possible d’un minimum énergétique local. Avoir un modèle simple (ne nécessitant pas de ressources informatiques particulièrement puissantes), permettant de hiérarchiser grossièrement les configurations d’une molécule sur une surface avant d’effectuer les minimisations énergétiques réduirait d’autant les temps de simulation.

Les deux idées sous-jacentes de ce chapitre sont i/ de commencer une base de don-nées de petites molécules sur les surfaces d’or Au(111), Au(110) et Au(100) (petites molécules représentant des groupements présents de manière récurrente dans les an-tibiotiques, SCH3, OCH3 et NHCH3) en présence ou non d’adatomes permettant de valider un modèle de DFT approximée qui sera par la suite utilisé pour simuler le sys-tème dans son ensemble (nanoparticule, antibiotiques et solvant) et ii/ d’utiliser cette banque de données pour essayer de déterminer des tendances permettant, dans le cas idéal, l’établissement d’un modèle prédictif.

Nous allons voir dans ce chapitre que les résultats obtenus peuvent être en partie hié-rarchisés en utilisant le nombre de coordination généralisé [1]. Dans un premier temps, l’état de l’art de l’adsorption de petits groupements chimiques contenant du soufre, de l’oxygène ou de l’azote va être exposé. Dans un second temps, les résultats de simulations obtenus vont être présentés et discutés. Nous montrerons que le fait com-munément admis que seuls les dérivés soufrés s’adsorbent de manière forte sur l’or est remis en question à partir du moment où la surface présente des adatomes. Dans ce

cas, la probabilité d’adsorption de dérivés oxygénés et azotés devient non négligeable.

4.2 Quelques conventions pour la lecture de ce

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