Smart hybrid nanomaterials for biomimetic membranes

Abstract

This thesis focuses on the preparation of nanomaterials made of proteins and polymers. Even though the technology has advanced in the last decades to design new devices at the atomic scale, researchers are still inspired by what Nature has produced and optimized for millions of years. Following this concept, this work uses proteins forming water-filled channels, called porins, which regulate the flow of ions and biomolecules in cellular life. Two proteins were studied: Omp2a and VDAC36. The first part of the dissertation is the thermomechanical properties study of the latest hybrid membrane developed by the IMEM group: an thin nanoperforated poly(lactic acid) (PLA) film with the Omp2a porin immobilized onto the surface . For this purpose, a new equipment based on the microcantilever technology was used. The SCAnning LAser analyzer (SCALA) characterizes the coated cantilevers which allows the following of the cantilever bending induced by the compression/expansion of the sample coating (i.e. proteins or polymers). In this study, the intermolecular reorganization of Omp2a aggregates was evidenced as well as the protein secondary structure stability against temperature. The same method was employed to study the impact of nanofeatures (perforations and drugs domains) on films of PLA. They affected the glass transition and the cold crystallization temperatures. The changes were dependent on the size and abundance of the nanofeatures, which can modulate the properties of future materials. Moreover, this work established a protocol for the study of biomolecules and polymers attached to microcantilevers, allowing an accurate study of the thermomechanical properties using very low amounts of sample. The second part of the thesis is the development of new hybrid nanomaterials composed of VDAC36, PLA and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). An efficient protocol was established for the production of VDAC36 and its subsequent refolding was achieved. The beta-barrel nature of the protein was revealed and its tendency to form oligomers was demonstrated. Finally, the size of the protein inner channel could be determined. The VDAC36 was added to the polymer material made of three alternating layers of PLA and PEDOT. The electrical properties of the material were modified by the addition of the protein: the overall resistance was reduced and the supercapacitive behaviour was enhanced. The description of the electrical equivalent circuit also revealed that the protein induced the diffusion of ions. To improve the material, the number of layers was increased and the conducting polymer was modified by incorporating a monomer bearing a dodecyl chain. The modifications were proved useful as the protein content and the electrical properties increased. Finally, the new hybrid material could provide an adaptive electrical response according to the concentration of biomolecules.

Esta tesis se centra en la preparación de nanomateriales basados en proteínas y polímeros. A pesar de los avances realizados en las últimas décadas en el diseño de nuevos dispositivos a escala nanométrica, los investigadores aún se inspiran en lo que la Naturaleza ha producido y ha optimizado durante millones de años. A partir de esta premisa, en este trabajo se han usado proteínas, que constituyen canales de agua y cuya función es regular el paso de iones y biomoléculas en organismos celulares. Las proteínas involucradas son Omp2a y VDAC36. La primera parte de esta disertación se centra en el estudio de las propiedades termo-mecánicas de los componentes una novedosa membrana híbrida desarrollada per el grupo IMEM: una película ultra-delgada de ácido poli(láctico) (PLA) nano-perforada y funcionalizada en la superficie con moléculas de Omp2a. Para su caracterización se usó un nuevo equipo basado en la tecnología de micro-palancas. Un analizador laser de barrido (SCALA, el acrónimo de dicho aparato en inglés) permite caracterizar palancas recubiertas de muestra polimérica mediante la reflexión de un rayo de luz láser sobre la superficie del soporte revestido. Mediante su acoplado a una cámara termo-controlada, SCALA permite seguir la deformación del soporte inducida per la compresión/expansión de la muestra en forma de recubrimiento (ya sean polímeros como proteínas). Mediante esta técnica se evidenció la reorganización intermolecular en agregados de la proteína Omp2a, así como la alta estabilidad de su estructura secundaria en frente de la temperatura. El mismo método fue usado para estudiar el impacto de las nano-características sobre las películas de PLA. Nano-poros, nano-perforaciones y nano-dominios fueron añadidos a los films de PLA. Dichas modificaciones afectan tanto a su transición vítrea como a la cristalización en frío de dichas películas. Los cambios observados dependen del tamaño y la abundancia de las nano-modificaciones, lo cual va a permitir modular las propiedades de futuros nano-materiales. Más aún, este trabajo ha establecido las bases para un protocolo general de uso de micro-palancas para estudiar proteínas y polímeros unidos a ellas, permitiendo la caracterización de sus propiedades termo-mecánicas usando cantidades ínfimas de material. Se pudo establecer un protocolo eficiente para la producción de VDAC36 i su subsecuente re-naturalización por medio de una combinación de detergentes y alcoholes. Per medio de experimentos de dicroísmo circular se puso de manifiesto su naturaleza de barril beta y se mostró su tendencia a formar oligómeros mediante entrecruzamientos químicos. El tamaño del poro se pudo determinar mediante ensayos de hinchado. A continuación, VDAC36 se incorporó al material polimérico constituido por tres capas de polímero, alternando PLA y PEDOT. Las propiedades eléctricas de este material quedaron visiblemente modificadas por la adición de la proteína sobre los films de polímero: se redujo su resistancia mientras que su comportamiento como supercondensador, consecuencia la presencia de PEDOT, aumentó. La descripción del circuito eléctrico equivalente reveló a su vez que la proteína inducía la difusión de iones. Para mejorar la retención de proteínas y la integridad mecánica del material, las capas de polímero de la membrana se aumentaron hasta cinco. A su vez, el monómero de EDOT se modificó para incorporar una cadena de dodecilo y poder así imitar una membrana celular. Estas últimas modificaciones se mostraron de gran utilidad puesto que el contenido en proteína aumentó y los cambios eléctricos se hicieron más pronunciados. Finalmente, este nuevo material híbrido fue capaz de proporcionar una respuesta eléctrica adaptativa como respuesta a cambios en la concentración de biomoléculas.