Exploration of marine microbial biodiversity for polyhydroxyalkanoates production and development of new MRI-visible biomaterials
Exploration de la biodiversité microbienne marine pour la production de polyhydroxyalcanoates et étude de leur potentiel pour l'élaboration de nouveaux biomatériaux visibles en Imagerie par Résonance Magnétique
Résumé
Polyhydroxyalkanoates (PHA) are natural polymers produced by a wide variety of bacteria.These natural polyesters are biobased, biodegradable and biocompatible. They are therefore of major interest for applications in the biomedical field. In the present thesis, the production capacities of different bacterial strains issued from the marine bacterial biodiversity have been studied. Three strains belonging to the genus Pseudomonas were found to be promising candidates for the production of unsaturated PHAMCL when grown from a mixture of coprah oil and 10-undecenoic acid. Optimization of the production allowed the biosynthesis of PHAMCL of original and controlled structure, with 10% to 80% unsaturation, and production yields reaching 38%.Their characterization by SEC and DSC revealed high molecular weight biopolymers with low crystallinity. FTIR, NMR and GCMS analyses allowed to determine their chemical structure and to confirm the terminal position of unsaturation, allowing future functionalization by click-chemistry. Two MRI visible devices have been developed. On the one hand, an amphiphilic fluorinated PHA, PHA-g-(F;PEG), was synthesized by a thiol-ene reaction. Nanocapsules, based on PHA-g(F;PEG) loaded with perfluorooctyl bromide obtained by emulsion-evaporation, with a diameter close to 250-300 nm, were found to be visible in 19F MRI with an acquisition time of only 15 min. On the other hand, the PHA-g-(C8F17) copolymer was prepared by grafting perfluorodecanethiol. Microstructure characterization by SEM-EDX and DSC (modulated and conventional) showed the formation of fluorinatedmicrodomains. Hahn Echo experiments showed a T2 of the order of 1.2 ms, suitable for UTE detection sequences. Therefore, biomaterials prepared by 3D printing and coated with PHA-g-(C8F17) have the potential to be used as novel contrast agents for 19F MRI. These results highlight a multidisciplinary thesis project, from bacterial culture to the valorization of the synthesized biomolecules.
Les polyhydroxyalcanoates (PHA) sont des polymères naturels produits par une grande variété de bactéries. Ces polyesters naturels sont à la fois biosourcés, biodégradables et biocompatibles.Ils présentent donc un intérêt majeur pour des applications dans le domaine biomédical. Dans le cadre de cette thèse, les capacités de production de différentes souches bactériennes, issues de la biodiversité bactérienne marine ont été étudiées.Trois souches appartenant au genre Pseudomonas se sont avérées être des candidates prometteuses pour la production de PHAMCL insaturés lorsqu’elles sont cultivées à partir d’un mélange d’huile de coprah et d’acide 10-undécenoïque. L’optimisation de la production a permis la biosynthèse de PHAMCL de structure originale et contrôlée, comportant de 10% à 80% d’insaturation, avec des rendements de production jusqu’à 38%. Leur caractérisation par SEC et DSC a révélé des biopolymères de hauts poids moléculaires et une faible cristallinité. Les analyses FTIR, RMN et GCMS ont permis de déterminer leur structure chimique et de confirmer la position terminale des insaturations, permettant la réalisation des futures fonctionnalisations par chimieclick.Deux dispositifs visibles par IRM ont été développés. D’une part, un PHA fluoré amphiphile, PHA-g-(F;PEG), a été synthétisé par une réaction de thiol-ène. Des nanocapsules, à base de PHAg(F;PEG), chargées avec du bromure de perfluorooctyle, obtenues par émulsion-évaporation, d’un diamètre proche de 250-300 nm, s’avèrentvisibles en IRM 19F avec un temps d’acquisition de 15 min. D’autre part, le copolymère PHA-g-(C8F17) a été préparé par greffage de perfluorodécanethiol. La caractérisation de la microstructure par MEB-EDX et DSC (modulée et conventionnelle) a montré la formation de microdomaines fluorés. Les expériences d’Echo de Hahn ont démontré un T2 de l’ordre de 1,2 ms, approprié pour des séquences de détection UTE. De ce fait, les biomatériaux préparés par impression 3D et recouverts de PHA-g-C8F17 ont le potentiel d'être utilisés comme nouveaux agents de contraste pour l'IRM 19F. Ces résultats mettent en avant un projet de thèse pluridisciplinaire, depuis la culture bactérienne jusqu’à la valorisation des biomolécules synthétisées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)