Newsletter 3, décembre 2021
Échanges scientifiques entre laboratoires SLAMM

Cette année, SLAMM a pu financer les déplacements de deux doctorants de notre communauté dans le cadre d’échanges scientifiques entre laboratoires du GdR : Souhaila N’mar, doctorante au laboratoire FAST en visite au L2C à Montpellier (M. Milani, L. Ramos), et Julien Bauland, doctorant au STLO en visite à l’ILM à Lyon (M. Leocmach).

Séchage de billes d’hydrogel de nanoparticules de silice
Mission de Souhaila N’mar (FAST) au L2C

– Goutte déposée sur un substrat hydrophobe (vue de profil) –

Les hydrogels sont constitués d’une matrice poreuse remplie d’eau et peuvent présenter des déformations importantes et réversibles sous l’effet de stimuli extérieurs. Nous nous intéressons à des gouttes d’hydrogel obtenues à partir de suspensions de nanoparticules de silice qui s’agrègent en présence d’espèces ioniques.

La dynamique de la phase gel lors de la structuration a pu être mise en évidence au L2C grâce à une technique de diffusion dynamique de la lumière. La dynamique est beaucoup plus lente à l’intérieur de la goutte qu’aux bords ; ces inhomogénéités sont dues au séchage. De plus nous avons constaté que plus l’humidité ambiante est importante, plus l’évaporation est lente et plus le temps de gel (temps caractéristique de formation du gel) est grand.

 

Caractérisation de la rupture d’un gel de caséines
Mission de Julien Bauland (STLO) à l’ILM

– Balayage en contrainte d’un gel enzymatique de lait (f=1Hz, T=30°C) –

Les caséines constituent la fraction protéique majeure du lait. Ces phosphoprotéines sont naturellement assemblées sous forme de colloïdes appelés « micelles de caséines ». La déstabilisation de ces colloïdes peut être induite par hydrolyse enzymatique et conduit à la formation de gels comme le caillé fromager.

Une particularité de ces gels réside dans le « softening » suivi d’un « hardening » lors de l’application d’une contrainte croissante en oscillation (voir figure). Le softening est supposé provenir d’un réarrangement à échelle microscopique dans le sens du cisaillement, alors que le hardening traduirait une augmentation de connectivité entre les bandes du gel suite à leur rupture partielle et à un gain temporaire de mobilité. L’échange entre laboratoires avait pour objectif de confirmer ou d’infirmer les hypothèses formulées sur les mécanismes de rupture du gel en l’imageant sous contrainte. L’adaptation du dispositif ICAMM, « Immersed Cantilever Apparatus for Mechanics and Microscopy », dispositif développé par Mathieu Leocmach à l’ILM de Lyon, à l’étude du gel enzymatique ainsi que le court laps de temps attribué à ces essais n’ont pas permis d’acquérir d’images exploitables. Néanmoins, la faisabilité de l’expérience a été démontrée.

Newsletter 3, décembre 2021
Adsorption des protéines à l’interface eau-air : et si le signe de la charge avait de l’importance ?

Les protéines sont des macromolécules amphiphiles : en solution aqueuse, elles s’adsorbent notamment à l’interface eau–air. Ce sont aussi des polyélectrolytes : elles portent des groupements acides ou basiques, et leur charge nette est fonction du pH de la solution et de leur point isoélectrique, c’est-à-dire de la valeur de pH pour lequel la mobilité électrophorétique est nulle. La charge nette, par ses effets coulombiens, module l’adsorption et les propriétés des couches d’adsorption.

L’évaporation, via un flux d’eau au travers de l’interface qui sépare la solution de l’atmosphère, s’accompagne d’un transport des protéines vers l’interface, l’advection, et modifie à la fois la cinétique de formation de la couche d’adsorption, mais aussi son épaisseur.

Comment la charge des protéines intervient-elle dans ce processus ?

Le lysozyme a un point isoélectrique de 10,7 : dans les conditions expérimentales les plus fréquentes, sa charge nette est positive. La charge de l’ovalbumine, elle, peut être facilement fixée à une valeur positive ou négative en choisissant un pH de la solution en deçà ou au-delà, respectivement, de son point isoélectrique.

La comparaison de l’adsorption de ces deux protéines suggère qu’il est nécessaire de combiner une charge positive et la présence d’un flux d’évaporation pour observer la formation d’une couche d’adsorption d’épaisseur plurimoléculaire. Si ces deux conditions ne sont pas réunies, une monocouche stationnaire est obtenue.

Aux données expérimentales, obtenues par réflectométrie des neutrons et par ellipsométrie, nous avons confronté un modèle faisant jouer la compétition entre l’advection, qui tend à accumuler la protéine à l’interface, et la diffusion, qui tend à aplanir le gradient de concentration et s’oppose à l’accumulation. Ce modèle ne parvient pas à reproduire à la fois la forme et la dimension des gradients temporel et spatial de concentration. En d’autres termes, sous l’hypothèse d’une diffusivité constante, la diffusion empêcherait la formation de couches d’épaisseur plurimoléculaire.

Ce travail suggère donc que des interactions intermoléculaires dépendantes du signe de la charge nette doivent être prises en compte pour explique la nature des couches d’adsorption formées.

Collaboration entre les laboratoires STLO, IPR, LCMD, LLB et TBI du GdR SLAMM

Protein Transport upon Advection at the Air/Water Interface: When Charge Matters
C. Pasquier, S. Pezennec, A. Bouchoux, B. Cabane, V. Lechevalier, C. Le Floch-Fouéré, G. Paboeuf, M. Pasco, B. Dollet, L.-T. Lee, S. Beaufils
Langmuir, vol.37(42), p.12278-12289, 2021
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c01591

Newsletter 3, décembre 2021
Interactions et assemblages des protéines : recherches actuelles

– Importance cruciale de l’anisotropie de charge sur l’interaction et le processus d’assemblage entre protéines et donc sur la nature des objets formés. En haut : Structures des protéines; en bas : titration calorimétrique –

Dans les régimes alimentaires des pays développés, substituer une partie des protéines animales par des protéines végétales a des effets positifs à la fois sur la santé humaine et sur l’environnement. Les recherches actuelles explorent les moyens de proposer de nouveaux aliments alliant bénéfice pour la santé, faible impact environnemental et plaisir gustatif. Ceci passe par la compréhension fine à différentes échelles des interactions entre protéines et des séparations de phases associées. Plusieurs chemins thermodynamiques peuvent être empruntés au cours des processus d’interactions hétéroprotéiques conduisant à une insolubilisation, une séparation de phase liquide-liquide ou liquide-solide, ou encore à la formation de complexes solubles. Cette problématique de recherche focalise l’intérêt de plusieurs équipes du GDR.

Comme illustration et lors d’un travail récent (1), nous avons cherché à mieux cerner le rôle des propriétés de surface sur les interactions entre protéines de charges opposées ainsi que sur la nature des assemblages formés. Pour cela nous avons comparé à pH physiologique les interactions associatives d’une protéine acide chargée négativement, la lactoglobuline, avec deux protéines basiques chargées positivement, le lysozyme (protéine animale) et la napine (protéine végétale) dont la particularité est de présenter une charge nette et un poids moléculaire similaires mais une distribution de charge surfacique différente. En combinant une approche expérimentale et des simulations numériques basées sur la dynamique Brownienne, nous montrons que la lactoglobuline a plus d’affinité pour le lysozyme que pour la napine en dépit d’un nombre de charge similaire. L’association entre la lactoglobuline et le lysozyme forme des assemblages hétéroprotéiques qui conduisent à une séparation de phase à l’échelle microscopique. En revanche, l’association entre la lactoglobuline et la napine se limite à la formation de complexes solubles de quelques nanomètres. Nous avons attribué ce résultat au phénomène d’anisotropie de charge en surface de la napine.

Nous synthétisons l’intérêt et les retombées applicatives de ce type de travaux dans une revue (2). Nous y illustrons comment la compréhension fine des interactions entre protéines végétales et animales à l’échelle moléculaire permet de créer des structures originales, capables de disperser les protéines végétales insolubles et de diversifier la texture des gels, des mousses et des émulsions alimentaires.

Collaboration entre les laboratoires BIA et STLO du GdR SLAMM

(1) Contrasting Assemblies of Oppositely Charged Proteins
W.N. Ainis, A. Boire, V. Solé-Jamault, A. Nicolas, S. Bouhallab, R. Ipsen
Langmuir, vol.35, p.9923-99338, 2019
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b01046

(2) Combining plant and dairy proteins in food colloid design
E. B. A. Hinderink, A. Boire, D. Renard, A. Riaublanc, L. M. C. Sagis, K. Schroën, S. Bouhallab, M.-H. Famelart, V. Gagnaire, F. Guyomarc’h, C. C. Berton-Carabin
Current Opinion in Colloid & Interface Science, vol.56, 101507, 2021
https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101507

Newsletter 3, décembre 2021
Adsorption de colorants sur des nanoparticules magnétiques

L’adsorption moléculaire à la surface des nanoparticules peut changer les interactions colloïdales de répulsives à attractives et favoriser l’agglomération des nanoparticules. Si les nanoparticules sont magnétiques, leurs agglomérats présentent une réponse beaucoup plus forte aux champs magnétiques externes que les nanoparticules individuelles. Le couplage entre adsorption, agglomération et magnétisme permet une synergie entre une surface spécifique élevée de nanoparticules (100 m²/g) et leur guidage ou séparation facile par des champs magnétiques. Ce concept encore peu exploré est censé surmonter de sévères restrictions pour plusieurs applications biomédicales et environnementales de nanoparticules magnétiques (NMP) liées à leur mauvaise manipulabilité par champs magnétiques. Ces deux articles sont consacrés à l’effet de l’adsorption moléculaire à la surface des NMP d’oxyde de fer sur l’amélioration de leur agglomération induite par le champ magnétique et de la séparation magnétique.

Expérimentalement, nous utilisons l’adsorption d’un colorant cationique, le bleu de méthylène (BM), sur des NMP de maghémite recouvertes de citrate pour provoquer une agglomération primaire des NMP en l’absence de champ. L’agglomération secondaire se manifeste par l’apparition d’agglomérats allongés de quelques centaines de microns en présence d’un champ magnétique appliqué. Avec l’augmentation de la quantité de BM adsorbé, la taille des agglomérats secondaires augmente et la séparation magnétique sur un micro-pilier magnétisé devient plus efficace. Ces effets sont principalement régis par le rapport de l’énergie magnétique à l’énergie thermique α, la sursaturation de suspension Δ0 et la diffusivité brownienne Deff des agglomérats primaires. Les trois paramètres (α, Δ0 et Deff) sont implicitement liés au taux θ de recouvrement de surface des NMP par BM à travers la taille hydrodynamique des agglomérats primaires augmentant exponentiellement avec θ. Les expériences et les modèles théoriques développés permettent une évaluation quantitative de l’effet de θ sur l’efficacité de l’agglomération secondaire et de la séparation magnétique.

Collaboration entre les laboratoires INPHYNI et PHENIX du GdR SLAMM

Adsorption of organic dyes on magnetic iron oxide nanoparticles. Part I: Mechanisms and adsorption-induced nanoparticle agglomeration
D. Talbot, J. Queiros Campos, B. L. Checa-Fernandez, J. A. Marins, C. Lomenech, C. Hurel, G. Godeau , M. Raboisson-Michel, G.Verger-Dubois, L. Obeid, P. Kuzhir P., A. Bee
ACS Omega, vol.6(29), p.19086-19098, 2021
https://doi.org/10.1021/acsomega.1c02401

Adsorption of organic dyes on magnetic iron oxide nanoparticles. Part II: Field-Induced Nanoparticle Agglomeration and Magnetic
J. Queiros Campos, B.L. Checa-Fernandez, J. A. Marins, C. Lomenech, Ch. Hurel, G. Godeau, M. Raboisson-Michel, G. Verger-Dubois, A. Bee, D. Talbot, P. Kuzhir
Langmuir, vol.37(35), p.10612-10623, 2021
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02021

Newsletter 3, décembre 2021
Juin 2021 – Journée thématique ‘Grandes déformations’

Le 18 juin dernier, le GdR SLAMM – avec l’aide essentielle de Thibaut Divoux (Lab. Physique, ENS, CNRS, Lyon) et Mathieu Leocmach (ILM, CNRS, Lyon) – a organisé un workshop sur le thème des grandes déformations. La journée, qui s’est tenue en ligne sur ‘ZOOM’ et ‘Gather’, a réuni une dizaine de posters et douze contributions orales, dont deux conférences invitées : la première sur la tribologie des microgels par Anwesha Sarkar (Université de Leeds) et la seconde sur la mesure des propriétés viscoélastiques haute fréquence par Jan Vermant (ETH Zurich). L’ensemble des présentations a permis de dégager plusieurs problématiques transverses sur les liquides viscoélastiques et les solides mous, partagées par les différentes communautés de la matière molle.

Nous avons vu que l’étude des grandes déformations de matériaux viscoélastiques nécessite la mise en place de nouvelles techniques de mesure qui permettent d’avoir accès aux petites échelles spatiales et/ou aux temps courts, telle que la rhéologie haute fréquence ou la mesure simultanée d’observables complémentaires aux grandeurs mécaniques telle que la conductivité électrique. Dans le cas des solides mous comme les gels de protéines, les grandes déformations s’accompagnent souvent « d’effets mémoire » suivi de la rupture fragile du matériau qui se casse en de nombreux morceaux dont les propriétés individuelles (taille, forme, rugosité, etc.) jouent un rôle clef dans des applications variées, notamment la dégradation orale des aliments. Se pose notamment la question de savoir à quel moment on quitte le domaine de la rhéologie pour celui de la tribologie, et comment ces deux concepts s’articulent. En ce qui concerne les liquides viscoélastiques, les grandes déformations peuvent être induites par des contraintes externes ou par le séchage du solvant, et mettent en jeu de subtiles couplages structure-écoulement qui précédent des phénomènes de fragmentation dont nous avons pu voir des exemples variés issus de l’industrie (agroalimentaire, impression).

Cette journée a généré de riches discussions entre les diverses communautés qui participaient, soulignant notamment l’omniprésence des grandes déformations dans une vaste gamme de phénomènes naturels mais aussi de procédés industriels. Nous espérons que ces échanges se poursuivront par la mise en place ou la poursuite de collaborations au sein du GdR SLAMM.