Liaison covalente - Affinité

Les méthodes d’immobilisations par liaisons covalentes ou par affinités se fondent quant à elles sur une pré-modification de la surface autorisant par la suite l’accroche du motif sonde. Les méthodes de modifications de surfaces seront principalement traitées dans le chapitre 2, nous nous attacherons dans la présente section seulement aux motifs permettant l’immobilisation de mo-tifs sondes (enzymes, ADN). Le principe de ces méthologies d’immobilisations consiste à modifier une surface en lui intégrant des groupements fonctionnels qui réagiront ensuite de manière spécifique avec le motif sonde (par liaison covalente ou par affinité).

Liaison covalente

Dans le cas de l’immobilisation par liaison covalente, les motifs sondes, que ce soit une enzyme ou de l’ADN, sont généralement modifiés au préalable pour que ceux-ci puissent réagir avec la fonction d’ancrage. Les principaux types

de groupements sont -NH2, -OH, -COOH, -SH, -PO4 (dans le cas de l’ADN),

ou encore plus récemment -N₃. [34, 35, 2] Ainsi, pour chaque fonction, on

retrouvera un site d’ancrage spécifique sur la surface modifiée.

Ainsi, pour les pour les différents groupements, la surface modifiée com-prendra une fonction avec des propriétés nucléofuges. La réaction se fait alors

FIGURE1.5 – Différence entre une immobilisation par substitution

nucléo-phile directe ou indirecte de motifs sondes modifiés par une fonction amine primaire en extrémité [2]

par substitution nucléophile de la fonction se trouvant sur la surface modifiée permettant alors d’immobiliser le motif sonde. On retrouve deux types de ré-actions : la substitution directe ou indirecte du groupement se trouvant sur la surface modifiée. Dans le cas de la substitution indirecte, on active la sur-face en la faisant réagir avec une molécule organique ayant un fort pouvoir nucléofuge permettant alors d’augmenter l’efficacité d’immobilisation. La mo-lécule la plus utilisée pour ce genre de réaction est la N-hydroxysuccinimide (NHS). Dans la figure 1.5, on retrouve une surface possédant des fonctions acide carboxylique que l’on fait réagir dans un premier temps avec un carbo-diimide auquel on additionne (ou non) la NHS avant de faire réagir le motif sonde modifié en extrémité par une amine primaire. On peut également

re-trouver le couplage par NHS dans le sens inverse, avec modification préalable du motif sonde avec son extrémité NHS, et ainsi obtenir l’immobilisation de celui-ci sur une surface modifiée par une amine. On retrouve également l’im-mobilisation de motifs sondes modifiés en extrémité par un nucléophile par ouverture d’un cycle epoxyde ou par réaction d’addition-élimination sur un groupement maléimide.

FIGURE 1.6 – Exemple d’un cycle catalytique permettant l’immobilisation

d’un motif sonde (MS) sur une surface modifiée par une fonction alkyne lors d’une réaction de "Click chemistry" catalysée par un complexe de cuivre Cu(I) [L_nCu]+ Surface H Surface CuL_n N N N MS Surface CuL_n N N MS N C CuL_n N N N Surface MS N N N Surface CuL_n MS N N N Surface H MS

Produit d'immobilisation final

Dans le cas où le motif sonde est modifié en extrémité par un groupement azoture, il en résulte principalement trois types de fonctions (réactions) per-mettant l’immobilisation. On retrouve comme fonctions d’ancrages les phos-phines via la réaction de Staudinger, les alkynes via la réaction de "click che-mistry" catalysée par un complexe de Cu(I) (illustrée dans la figure 1.6), ou encore les amines par couplage.

Le principal avantage de l’immobilisation par liaison covalente est la spéci-ficité de la liaison entre le motif sonde et la fonction d’ancrage. De plus, il est généralement possible de sélectionner l’emplacement du groupement modifiant le motif sonde. Il est ainsi possible de vérifier en amont que cette modification n’interfère pas avec l’activité du motif sonde (en particulier dans le cas des enzymes). Dernièrement, la liaison covalente permet d’immobiliser de façon "définitive" le motif sonde au biorécepteur.

Compte tenu des objectifs de notre travail, nous pouvons noter en dernier, l’immobilisation directe de brins d’ADN possédant une fonction SH à une ex-trémité de brin. Cette immobilisation, SAM ( pour Self-Assembled Monolayer) s’opère principalement sur des surfaces d’or du fait de l’interaction physique entre l’or et le soufre. Elle permet alors de facilement immobiliser une séquence d’ADN. Elle oblige seulement au préalable la modification de la séquence d’ADN en son extrémité par une fonction SH. [29] Même si cette approche permet la formation de mono-couche bien définie, celle-ci nécessite néanmoins la modi-fication préalable du brin d’ADN (par une fonction SH), ce qui limite la variabi-lité des séquences et oblige à travailler avec de courtes séquences d’ADN. D’un point de vue général la modification d’extrémité d’ADN reste limitant, car, la séquence doit être synthétisée à la suite de la modification. Le coût est alors directement proportionnel aux nombres d’acides nucléiques.

Affinité

L’immobilisation de motifs sondes par affinité est principalement fondée sur la formation de complexes à partir de liaisons faibles. La principale condition est l’existence d’un équilibre entre la forme complexée et la forme libre, où la constante de dissociation du complexe est très faible. Dans ce cas, on retrouve principalement la formation du complexe biotine-(strept)avidine, la formation

de complexe avec des ions métalliques (Cu2+, Ni2+, Zn2+, etc...) ou encore

l’hy-bridation de l’ADN.

L’immobilisation de motifs sondes par affinité, concerne principalement l’af-finité biologique, l’exemple le plus courant est le couplage biotine-(strept)avidine. L’emploi de cette immobilisation par affinité vient de l’existence d’une forte af-finité entre la protéine avidine et la molécule biotine (constante de dissociation

les différentes procédures que l’on a déjà pu évoquer. Elle peut également être directement liée de manière covalente à un monomère qui sera par la suite polymérisé par voie électrochimique. Le film polymère ainsi formé à la surface de l’électrode de travail possède directement la fonction biotinique (cf. figure 1.7-A). [36, 37] L’avidine qui est intégrée à l’enzyme vient alors s’associer avec la molécule de biotine présente à la surface du biorécepteur. On retrouve éga-lement dans le cas de l’immobilisation de brin d’ADN, la formation de complexe biotine-(strept)avidine, où la fonction biotinique se trouve en extrémité du brin d’ADN et dans ce cas, l’avidine est préalablement fixée à la surface (cf. figure 1.7-B). [38]

FIGURE 1.7 – A : Exemple d’un monomère engagé dans

l’sation d’un poly(pyrrole-biotine) comprenant une partie électropolyméri-sable et la biotine servant à immobiliser par affinité l’avidine d’après les travaux de Cosnier et al. [37] ; B : Exemple d’une immobilisation par affinité biotine-avidine d’une séquence d’ADN sur un cristal de quartz d’or d’après les travaux de Niikura et al. [38]

protéine est surtout utilisée en chromatographie pour retenir les protéines d’in-térêt, capables de se fixer à la colonne. Pour ce faire, les protéines exprimées sont produites avec un tag en extrémité de type histidine par exemple (généra-lement six histidines sont alignées en extrémité de la protéine). Ce tag histidine se complexe alors à la colonne de chromatographie possédant des complexes métalliques de type nickel ou cuivre. Une fois les protéines séparées des autres protéines produites lors de l’expression en cellule, il est généralement effectué un lavage pour décomplexer la protéine de la colonne et ainsi récupérer uni-quement la protéine d’intérêt. [2] Les principales méthodes de lavage se font soit en réduisant le pH, ou en changeant la force ionique ou encore par l’utilisa-tion d’agent chimique tel que l’EDTA ou l’imidazole. Ce type d’immobilisal’utilisa-tion a également été développé sur des surfaces modifiées pour la détection de lactate [39] ou encore de glucose [40] en fixant l’enzyme d’intérêt via un tag histidine positionné en extrémité de celle-ci (cf. figure 1.8). [41]

FIGURE 1.8 – Exemple d’une immobilisation par affinité lors de la

com-plexation d’un motif sonde modifié par un tag de type histidine à un complexe de cuivre Cu(II) lui même chélaté sur un film de poly(pyrrole)-NTA (poly(pyrrole)-NTA pour acide nitriotriacétique) d’après les travaux de Haddour et al. [40]

On peut également noter dans la catégorie des interactions par affinité, la réaction d’hybridation entre deux ADN simple brin complémentaires. Ce genre

d’interaction permet à partir d’un ADNsb pré-immobilisé de façon covalente à la surface, d’additionner une séquence complémentaire qui peut être de plus grande taille ou posséder d’autres fonctions en extrémité permettant alors la détection d’autres analytes cibles, voire tout simplement d’autres séquences d’ADN.