Frontières en bioingénierie et biotechnologie

Introduction

Les albumines sériques sont des protéines couramment utilisées en bio-diagnostic et comme modèle dans la recherche sur les bio-interfaces (Rosi et Mirkin, 2005 ; Singh et al, 2005 ; Arcot et al., 2015). Parmi celles-ci, l’albumine de sérum bovin (BSA) est la moins chère et une protéine largement utilisée comme agent bloquant dans les tests ELISA (Maingonnat et al., 1999). Dans les diagnostics sur papier, la BSA (Huang et al., 2018) augmente sélectivement l’hydrophobie du papier pour améliorer les bio-fluides et le flux d’élution en diminuant l’absorption des liquides. La BSA protège et augmente la durée de vie des biomolécules fonctionnelles séchées sur le papier. La fonctionnalité et la longévité de l’immunoglobine G et de l’immunoglobine M séchées sur des surfaces traitées à la BSA peuvent augmenter d’un ordre de grandeur (van Remoortere et al., 2001). La BSA empêche également l’adsorption non spécifique des protéines d’analytes pour une analyse quantitative.

De multiples articles ont largement rapporté le phénomène de sorption des molécules de BSA sur différentes interfaces telles que l’or (Dennison et al., 2017), le mica (Fitzpatrick et al., 1992), le silicium (Jachimska et al., 2016 ; Givens et al., 2017) et la cellulose (Mohan et al., 2014 ; Lombardo et al., 2017). La conformation de la molécule de BSA adsorbée et la topologie de la couche formée sont fortement affectées par le pH, la force ionique et la température. Les molécules de BSA conservent leur structure native entre pH 4,0 et 8,0. En dessous de pH 4.0 et au-dessus de 8.0, les molécules de BSA changent leur conformation de pliage qui diffère de leur structure native (Su et al., 1998a ; Barbosa et al., 2010 ; Phan et al., 2015). Le point isoélectrique de la BSA se situe à pH 4,5. À ce pH, la charge nette de surface devient nulle et les molécules de BSA s’agrègent. L’augmentation du pH augmente la charge de la BSA et la répulsion électrostatique dominante stabilise les molécules de BSA et empêche l’agrégation (Li et al., 2008).

En dépit d’être parmi les protéines les plus étudiées, de multiples questions demeurent sur l’effet du pH et de la force ionique ont sur la conformation de la BSA lors de l’adsorption. Dans ce contexte, le concept de couverture de surface, uniquement défini par la fraction de surface ou la densité pondérale, manque de clarté. Il est nécessaire de mieux comprendre les variables définissant l’interface solide-liquide de la BSA pour concevoir des dispositifs de bio-diagnostic robustes.

Les molécules de sérum-albumine bovine s’adsorbent à une interface en formant une couche dont l’épaisseur est de l’ordre du nanomètre. Quelques méthodes de caractérisation telles que la réflectivité (Su et al., 1998b, 2016 ; Raghuwanshi et al., 2017a, b), l’ellipsomètre, le microscope à force atomique (AFM), la résonance plasmonique de surface (SPR) et la microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D) peuvent mesurer l’épaisseur de la couche de protéines adsorbées à l’échelle nanométrique requise. En particulier, la QCM-D peut surveiller cinétiquement le processus de sorption des biomolécules en mesurant la masse de protéines adsorbées à une interface en nanogrammes (Kristensen et al., 2013 ; Luan et al., 2017). Le QCM-D permet de contrôler la température, la force ionique et le pH de l’environnement. Le mode de dissipation du QCM révèle la rigidité des couches de protéines adsorbées.

Dans cette étude, un comportement réversible sensible au pH des molécules de BSA adsorbées à l’interface or-saline est décrit. La couche de BSA adsorbée se comporte comme une éponge sensible au pH où les molécules d’eau s’adsorbent et se désorbent en fonction du pH environnant entre 4 et 8. Ce travail permet de contrôler et de quantifier le phénomène de sorption de l’eau dans la couche spongieuse de BSA et d’élucider les mécanismes impliqués à différents pH et forces ioniques. Notre objectif est de décrire la couverture de BSA à l’interface solide-liquide en termes de nombre de molécules et de poids/épaisseur de la couche. Ceci afin de clarifier le concept de couverture de surface des biomolécules et d’élucider le comportement dynamique des molécules de BSA adsorbées dans le contexte du bio-diagnostic.

Matériaux et expériences

Matériaux

L’albumine de sérum bovin en poudre lyophilisée (97%) et le sel de chlorure de sodium (NaCl) (99,5%) ont été achetés auprès de la Sigma Aldrich (Castle Hill, NSW, Australie). L’acide chlorhydrique (HCl) et l’hydroxyde de sodium (NaOH) ont été achetés chez Merck Ltd. Tous les produits chimiques sont de qualité analytique et utilisés sans aucune purification.

Mesures du QCM-D

La microbalance à cristaux de quartz avec mesures de dissipation a été réalisée sur un instrument E4-QCM-D de Biolin Scientific Ltd. Des capteurs à cristaux de quartz revêtus d’or ont été utilisés après avoir été nettoyés dans une solution H2O2:NH3:H2O (1:5:5) pendant 15 min et suivis d’un nettoyage par UV-Ozone pendant 10 min.

Les capteurs en or ont été placés dans des modules de cellules liquides. 1 mg/mL de BSA a été dissous dans la solution saline (0,9% NaCl) et le pH de la solution a été réglé à pH 7,0 et 4,5. Séparément, le pH de la solution saline a été ajusté à 7,0 et 4,5. Les solutions préparées ont été passées à travers les modules de cellules liquides par une pompe péristaltique. Les changements de la fréquence de résonance (F) et de la dissipation (D) du capteur à quartz par rapport à la fréquence fondamentale de 5 MHz et à six différentes harmoniques impaires (1, 3, 5, 7, 9 et 13) ont été surveillés simultanément.

D’abord, une solution saline a été pompée dans la cellule liquide et on l’a laissée s’équilibrer pour générer une ligne de base stable. Ensuite, de la BSA dans une solution saline a été passée à travers la cellule, et permettre aux molécules de BSA de s’adsorber à l’interface de l’or. La solution saline a ensuite été pompée pour éliminer toutes les molécules de BSA non attachées. Les cycles de rinçage des solutions salines à différents pH et de l’eau étaient alors les suivants :

Les variations obtenues de la fréquence de résonance ΔF et de la dissipation ΔD ont été ajustées par le modèle de Sauerbrey en utilisant le logiciel Dfind.

Mesures de DLS

La diffusion dynamique de la lumière (DLS) sur la BSA dispersée dans la solution saline à différents pH (4,5 et 7,0) a été mesurée sur un analyseur de taille de particules DLS (Brookhaven Nanobrook Omni). Une source de 40 mW (640 nm) de laser semi-conducteur rouge à température contrôlée a été utilisée. Les mesures ont été effectuées trois fois et la moyenne a été calculée. Toutes les mesures ont été effectuées à la température ambiante (22°C).

Mesures de l’angle de contact

L’angle de contact sur l’or et la BSA adsorbée à différents pH sur une interface en or ont été mesurés à l’aide d’un setup OCA 35 DataPhysics Instruments GmbH, Allemagne. Les mesures ont été effectuées directement sur la surface du capteur retiré de l’installation QCM après la mesure. Toutes les mesures ont été effectuées à température ambiante (22°C). Un minimum de cinq mesures d’angle de contact ont été effectuées sur la surface du capteur et ont été moyennées.

Microscope à force atomique (AFM)

Les mesures de microscopie à force atomique ont été effectuées en mode tapotement avec un AFM JPK Nanowizard III. Les cantilevers (AC160TS-R3) sélectionnés pour l’imagerie avaient une fréquence nominale de 300 kHz et une constante de ressort de 26 N/m. L’imagerie a été réalisée sur l’interface d’or nu et sur la couche de BSA adsorbée à pH 4,5 à l’interface d’or. Les images ont été prises directement sur la surface du capteur retirée du montage QCM après la mesure. Toutes les mesures ont été effectuées à la température ambiante (22°C).

Résultats

Un phénomène réversible de sorption d’eau sensible au pH des molécules de BSA adsorbées à l’interface solide-liquide est étudié par QCM-D avec des cycles de rinçage de solution saline à pH 7,0 et 4,5. L’or a été choisi comme interface solide car son hydrophobie dirige l’adsorption de BSA (Lori et Hanawa, 2004 ; Phan et al., 2015 ; Ozboyaci et al., 2016). Les couches de BSA adsorbées à différentes valeurs de pH sont rincées avec des cycles alternés de solutions salines à pH 4,5 et 7,0. En outre, un rinçage avec de l’eau Milli-Q pure a été effectué pour évaluer l’effet de la force ionique a sur la couche de BSA adsorbée.

La figure 1 (en haut) montre le changement de fréquence (F5 et F7) pour les molécules de BSA adsorbées à un pH de 7,0 à partir de la solution BSA/saline suivie d’un rinçage avec la solution saline originale (pH 7). Le cycle de rinçage suivant a été effectué avec la solution saline à pH 4,5. Des cycles alternés de solutions salines à pH 4,5 et 7 suivent ensuite.

Dans la figure 1, après une ligne de base initiale stable, une diminution soudaine de F a été observée, ce qui indique l’adsorption de molécules de BSA à l’interface or-liquide. Le F a diminué jusqu’à ΔF = -35.5 et s’est stabilisé. Lors du rinçage avec une solution saline (pH 7), le F a augmenté de ΔF = -35,5 à ΔF = -34,0, ce qui montre l’élimination des molécules de BSA non adsorbées de la surface. Après un rinçage avec une solution saline (pH 4,5), le F a encore augmenté jusqu’à ΔF = -30,0, révélant une dégradation supplémentaire de la masse à la surface du capteur. De manière surprenante, les cycles de rinçage ultérieurs avec une solution saline (pH 7,0) font baisser le F à ΔF = -34,0, ce qui signifie une augmentation de la masse à la surface du capteur due à l’absorption de molécules d’eau dans la couche de BSA. Les cycles de rinçage salins ultérieurs suivent le même changement cyclique de masse à l’interface de l’or.

Dans la deuxième expérience, similaire à la première, l’adsorption de molécules de BSA à pH 4,5 a été suivie de cycles de rinçage salins à différents pH (Figure 1 : en bas). Les molécules de BSA adsorbées correspondent à la diminution de F à ΔF = -38,5. Le rinçage avec une solution saline (pH 4,5) élimine la BSA non adsorbée (ΔF = -38,0).

Le rinçage suivant par une solution saline (pH 7,0) augmente encore la masse de la couche à la surface de l’or, ce qui correspond à la diminution de F à ΔF = -43. L’augmentation de la masse est due à l’absorption de molécules d’eau dans la couche de BSA. Plus tard, le rinçage au sel (pH 4,5) désorbe les molécules d’eau et ramène la valeur de F à ΔF = -37. Chaque cycle de rinçage adsorbe et désorbe la même quantité de molécules d’eau.

Dans la même expérience, l’effet de la force ionique sur la couche de BSA adsorbée a été étudié en rinçant la couche avec de l’eau pure. La figure 1 montre l’adsorption de BSA à pH 7,0 et 4,5 suivie de cycles de rinçage avec une solution saline à différents pH et avec de l’eau Milli-Q pure.

Dans les deux cas, le rinçage à l’eau augmente la valeur en ΔF = -29,2 (BSA adsorbé à pH 4,5) et -26,5 (BSA adsorbé à pH 7,0). Cela indique que le rinçage à l’eau diminue encore la masse, ce qui correspond à une désorption supplémentaire des molécules d’eau de l’interface. Chaque cycle de rinçage soutient le même comportement dans le changement de masse qui est dû à la sorption d’eau dans la couche de BSA.

Intéressant, dans toutes les expériences, les cycles de rinçage salins alternés à pH 4,5 et 7,0 montrent la sorption réversible des molécules d’eau dans la couche de BSA adsorbée. Le rinçage de la couche de BSA avec une solution saline à pH 7,0 adsorbe les molécules d’eau dans la structure de la couche de BSA, ce qui augmente la masse de l’interface solide-liquide. En revanche, le rinçage de la couche de BSA avec une solution saline à pH 4,5 désorbe les molécules d’eau de la couche de BSA, ce qui réduit la masse de l’interface. La sorption d’eau entièrement réversible mesurée indique que les molécules de BSA ne se désorbent pas pendant le rinçage et que leur couverture de surface reste identique ; seul le nombre de molécules d’eau dans l’interphase varie.

Le phénomène de sorption d’eau lors du rinçage salin (à différents pH) se produit uniquement en raison de la couche de BSA adsorbée et est confirmé par une expérience de rinçage salin séparée sur le capteur en or nu (matériel supplémentaire S1). Une ligne de base stable sur la fréquence du capteur en or nu est maintenue par la solution saline (à pH 4,5). Ensuite, l’interface en or a été rincée avec un cycle de rinçage salin alternatif de pH 7,0 et 4,5 (matériel supplémentaire S1). Les résultats montrent clairement que le rinçage salin alternatif à différents pH n’a aucun effet sur la fréquence du capteur en or. Par conséquent, seule la couche de BSA adsorbée sur l’or présente le changement de fréquence sur les cycles de rinçage salin à différentes valeurs de pH.

La masse adsorbée, la couverture de surface et l’épaisseur de la couche de BSA adsorbée sont extraites en ajustant le modèle de Sauerbrey aux données QCM. Le modèle est utilisé pour ajuster une couche rigide où la valeur de dissipation est inférieure à 2, comme observé dans toutes nos expériences (matériel supplémentaire S2). L’équation de Sauerbrey est donnée par Δm=-CΔfn, où, C = 17,7 ng/Hz.cm2 est constante pour le cristal de quartz recouvert d’or de 5 MHz, n est l’harmonique, Δm est la masse adsorbée et Δf est le changement de fréquence.

Les molécules de BSA se sont adsorbées jusqu’à une couverture de masse de 6,3 mg/m2 (épaisseur 5,6 nm) à pH 7,0 (Figure 2A). Le rinçage de la couche de BSA pré-adsorbée avec une solution saline (pH 4,5) a diminué la couverture de masse à 5,6 mg/m2 et son épaisseur à 4,9 nm (tableau 1), ce qui est dû à la libération des molécules d’eau de la structure de la couche de BSA adsorbée. Un rinçage supplémentaire avec une solution saline (à pH 7,0) réadsorbe les molécules d’eau dans les mêmes proportions. La différence de changement de masse est Δm = 0,7 mg/m2.

Comme dans la figure 2B, le rinçage de la couche de BSA pré-adsorbée à pH 4,5 avec une solution saline (à pH 7,0) augmente la masse adsorbée de 6,4 mg/m2 à 7,4 mg/m2 et l’épaisseur de 6,2 à 6,9 nm ; ceci est dû à l’absorption des molécules d’eau dans la couche de BSA. Le cycle de rinçage de la solution saline à différentes valeurs de pH a conservé la différence de changement de masse de Δm = 1,0 mg/m2 qui est 1,4 fois plus élevée que le changement de masse à pH 7,0 (0,7 mg/m2).

Le nombre moyen de molécules d’eau adsorbées/désorbées dans la couche de BSA pendant le cycle de rinçage de la solution saline est calculé à partir de la différence de masse adsorbée à différents pH (matériel supplémentaire S3). La couche de BSA adsorbée à pH 4,5 adsorbe/désorbe 3,3 × 1019 molécules d’eau pendant les cycles de rinçage, ce qui représente 570 molécules d’eau/molécule de BSA (tableau 1). Cependant, la couche de BSA adsorbée à pH 7,0, adsorbe/désorbe 2,3 × 1019 molécules d’eau, soit 450 molécules d’eau/molécule de BSA, pendant le cycle de rinçage salin réversible.

Les mesures de diffusion dynamique de la lumière (DLS) clarifient l’état agrégé et non agrégé de la BSA dans une solution saline à pH 4,5 et à pH 7,0 (figure 3). À pH 4,5, la DLS révèle que les molécules de BSA s’agrègent et présentent de multiples distributions de taille : 5 nm, 10 nm, 20 nm et 50 nm. Cependant, à pH 7,0, les molécules de BSA ne s’agrègent pas, en raison des répulsions électrostatiques, et présentent une distribution de taille de 5 et 10 nm. La taille de 5 et 10 nm de la BSA hydratée est comparable à la taille et à la forme des molécules de BSA individuelles (14 nm × 4 nm × 4 nm) (Anderegg et al., 1955 ; Wright et Thompson, 1975).

Les images au microscope à force atomique confirment l’adsorption de la molécule de BSA à l’interface de l’or (Figure 4). Ces images démontrent des différences dans la morphologie de la surface de l’or nu (figures 4a,b) et de la BSA adsorbée à l’interface de l’or à pH 4,5 (figures 4c,d). En comparant les images agrandies de l’or nu (figure 4b) et de la surface absorbée par le BSA (figure 4d), les différences entre les surfaces sont notables. Même si les deux surfaces sont formées de particules, la définition et donc le matériau imagé sont différents. Les particules de la surface d’or nu sont plus définies (par exemple, des limites plus nettes entre les formes), ce qui indique un matériau plus dur par rapport à la surface recouverte de BSA. L’or revêtu de BSA montre la présence d’agrégats supplémentaires de molécules de BSA. L’image AFM agrandie de l’or revêtu de BSA (figure 4d) montre que la dimension latérale des molécules de BSA agrégées varie entre 30 et 100 nm avec une hauteur comprise entre 5 et 15 nm.

L’angle de contact formé par les gouttelettes d’eau sur deux surfaces : l’or et le BSA adsorbé sur l’or a été mesuré pour clarifier la mouillabilité (Figure 5). Le capteur en or est hydrophile avec un angle de contact de 66°. Cependant, la couche de BSA adsorbée à pH 4,5 devient plus hydrophile, l’angle de contact avec l’eau diminuant à 60°, puis à 55° pour la couche de BSA adsorbée à pH 7,0. Une observation similaire a été rapportée pour les couches de BSA adsorbées sur une surface de silicium, l’angle de contact avec l’eau diminuant de 57° (à pH 4,5) à 54° (à pH 7,0) (Jachimska et al., 2016). Le changement de l’angle de contact et de l’épaisseur de la couche pour la BSA adsorbée à différents pH indique des différences structurelles et topographiques pendant le processus d’adsorption à l’interface de l’or.

Discussion

Le point isoélectrique de la BSA se situe entre pH 4,5-4,8 ; c’est le pH auquel la charge nette de la molécule devient nulle. Près du point isoélectrique, les molécules de BSA ont moins de répulsion électrostatique inter-moléculaire. La force ionique élevée de la solution saline (0,15 M) joue également un rôle dans le blindage des charges et l’entrave aux interactions électrostatiques. Par conséquent, les molécules de BSA s’agrègent dans la suspension BSA/saline. Les mesures de DLS (figure 3A) confirment la présence d’agrégats de BSA dont la taille peut atteindre 60 nm dans la suspension BSA/saline à pH 4,5.

Lors de l’adsorption de BSA (à pH 4,5) à l’interface de l’or, aucune attraction électrostatique de BSA vers l’interface de l’or n’est attendue. Cependant, une faible charge positive de la protéine BSA globulaire peut fournir une dérive suffisante pour l’adsorption à une interface (Su et al, 1998a ; Jachimska et al, 2016). De nombreux articles ont précédemment rapporté que l’adsorption de la BSA et de protéines similaires à proximité du point isoélectrique était due à des interactions hydrophobes qui l’emportent sur les interactions électrostatiques (Uyen et al., 1990 ; Tilton et al., 1991 ; Figueira et Jones, 2008 ; Norde, 2008 ; Jeyachandran et al., 2009 ; Rabe et al., 2011 ; Huang et al., 2017 ; Xu et al., 2018 ; Attwood et al., 2019). Les mesures de l’angle de contact (figure 5) montrent que l’interface d’or nu est moins hydrophobe et que l’albumine se lie à l’or via des interactions hydrophobes (Norde et Giacomelli, 2000 ; Figueira et Jones, 2008). Comme les répulsions entre les molécules de BSA sont filtrées, les molécules de BSA hydratées s’adsorbent en grande quantité (6,4 mg/m2) sous forme d’agrégats et avec de multiples points de contact sur l’interface de l’or (figure 6A). L’image AFM (Figures 4c,d) confirme l’adsorption et l’agrégation des molécules de BSA à l’interface de l’or. Les images AFM révèlent que la dimension latérale des agrégats varie entre 30 et 100 nm avec une hauteur distribuée entre 5 et 15 nm. Cela confirme que les molécules de BSA adsorbées sont une combinaison de conformations debout et plates.

Au pH 7,0, les molécules de BSA sont chargées négativement. Cela crée une répulsion électrostatique entre les molécules de BSA qui empêche l’agglomération de BSA en solution. Les mesures de DLS montrent la distribution de molécules de BSA non agglomérées de taille 5 et 10 nm (Figure 3B). Ces tailles sont comparables aux dimensions des molécules individuelles de BSA (14 nm × 4 nm × 4 nm) (Anderegg et al., 1955 ; Wright et Thompson, 1975). Lors de l’adsorption de la BSA sur l’or, une combinaison de répulsion électrostatique et d’interactions hydrophobes forme une couche de BSA à l’interface. La forte répulsion latérale inter-moléculaire entre les molécules de BSA adsorbées réduit la capacité d’adsorption de la BSA (5,6 mg/m2) à l’interface. Par conséquent, les molécules de BSA s’adsorbent en tant que molécules individuelles (et non en tant qu’agrégats) et forment une monocouche à l’interface de l’or (figure 6A).

Dans les expériences QCM-D (figure 1), les molécules de BSA préhydratées sont adsorbées à l’interface. Lors de rinçages salins alternatifs à différents pH, la couche de BSA adsorbe/désorbe encore plus de molécules d’eau. La BSA adsorbée à pH 4,5 piège et libère plus de molécules d’eau (1,0 mg/m2) que les molécules de BSA adsorbées à pH 7,0 (0,7 mg/m2). La raison en est que la quantité de BSA adsorbée à pH 4,5 (6,4 mg/m2) est plus importante que celle à pH 7,0 (5,6 mg/m2).

La masse sèche calculée (non hydratée) des molécules de BSA adsorbées pour une couverture complète de la surface du capteur en or est d’environ 2 mg/m2 (matériel supplémentaire S3). La masse sèche calculée est comparable à celle de la littérature rapportée (Jachimska et al., 2016). Lorsqu’une molécule de BSA sèche est hydratée, ses groupes hydrophiles se lient rapidement à l’eau. Cette liaison est due à la structure dipolaire de l’eau qui interagit avec les groupes polaires de la BSA. Dans la BSA hydratée, certaines molécules d’eau sont liées fermement, tandis que d’autres molécules d’eau sont liées de manière lâche ou sont simplement piégées entre la structure en boucle de la BSA. La quantité d’eau qui hydrate la couche de BSA augmente la fraction de masse adsorbée à l’interface. Dans le cycle de rinçage salin à différentes valeurs de pH, une redistribution des charges sur la couche de BSA adsorbée se produit. Cette redistribution des charges crée un gradient entre la couche de BSA adsorbée et la solution en vrac. Le gradient agit comme une force motrice pour piéger et libérer les molécules d’eau faiblement liées de la couche de BSA.

L’épaisseur de la couche de BSA est évaluée en ajustant le modèle de Sauerbrey aux données QCM-D (Figure 2). La couche de BSA hydratée adsorbée à pH 4,5 et rincée avec une solution saline (pH 7,0) donne la plus grande épaisseur de 6,9 nm (Figure 6B). La grande quantité de molécules de BSA adsorbées (6,4 mg/m2) piège de nombreuses molécules d’eau qui font gonfler la couche de BSA. Le rinçage de la même couche avec une solution saline (pH 4,5) réduit l’épaisseur de la couche à 6,4 nm, ce qui est dû à la libération des molécules d’eau de la couche. Un phénomène similaire est observé pour les molécules de BSA adsorbées à pH 7,0. Cependant, l’épaisseur de la couche de BSA est plus fine que pour la couche de BSA adsorbée à pH 4,5 (figure 6B).

De plus, la couche de BSA adsorbée aux deux valeurs de pH reste rigide et fixée de manière irréversible pendant les cycles de rinçage salin. Seule la sorption des molécules d’eau se produit pendant la variation du pH. La rigidité et l’irréversibilité de la BSA adsorbée sont dues à la grande taille et au poids moléculaire élevé de la BSA. La molécule de BSA forme une multitude de points de contact à l’interface or-liquide par des interactions électrostatiques et hydrophobes qui empêchent la désorption des molécules de BSA de l’interface.

La couche de BSA ne se détache pas de l’interface de l’or même avec des changements de la force ionique de la solution (rinçage à l’eau déionisée). Le rinçage à l’eau ne fait que désorber davantage de molécules d’eau de la couche de BSA et la masse à la surface du capteur diminue encore (figure 2). La modification de la force ionique de la BSA hydratée avec de l’eau pure libère davantage de molécules d’eau de la couche. La couche de BSA rétrécit à une épaisseur de 4,8 nm (lorsqu’elle est adsorbée à un pH de 4,5) et de 4,3 nm (lorsqu’elle est adsorbée à un pH de 7,0), comme le montre la figure 6B. La poursuite des cycles de rinçage salin produit le même phénomène réversible de sorption de l’eau.

Conclusion

L’albumine de sérum bovin en solution saline (0,9% NaCl) a été adsorbée à l’interface or-liquide à pH 7,0 et 4,5. Le processus dynamique a été mesuré par QCM-D et confirmé par AFM, DLS et des mesures d’angle de contact. Un phénomène de sorption d’eau réversible, rapide et dépendant du pH est observé pour la couche de BSA adsorbée en effectuant des cycles de rinçage de solution saline à pH 4,5 et 7,0. Les molécules d’eau hydratent la couche de BSA à pH 7.0 et la déshydratent à pH 4.5. La couche de BSA adsorbée à pH 4,5 est hydratée par 1,4 fois plus de molécules d’eau que la couche de BSA adsorbée à pH 7,0. Ce phénomène s’explique par les différentes conformations adoptées par les molécules de BSA adsorbées à différents pH. Près du point isoélectrique à pH 4,5, les molécules de BSA se neutralisent et s’adsorbent sous forme d’agrégats en grande quantité : 6,4 mg/m2. À pH 7,0, les molécules de BSA se chargent (répulsion électrostatique) et s’adsorbent sous forme de couche de molécules individuelles à 5,6 mg/m2. La couche de molécules de BSA agrégées (à pH 4,5) adsorbée à l’interface de l’or retient plus de molécules d’eau (570 molécules d’eau/BSA) que la couche de molécules de BSA individuelles (à pH 7,0), qui retient 450 molécules d’eau/BSA. La modification de la force ionique en rinçant la couche de BSA avec de l’eau pure ne fait que désorber davantage d’eau de la structure de la couche adsorbée. Dans tous les cas, la couche de BSA est rigide et irréversiblement adsorbée sur l’interface de l’or et seules les molécules d’eau s’adsorbent/désorbent pendant le cycle de rinçage. Le phénomène observé est important pour la compréhension fondamentale et pour concevoir de nouveaux dispositifs de bio-diagnostic et des capteurs robustes.

Data Availability Statement

Les données brutes soutenant les conclusions de cet article seront mises à disposition par les auteurs, sans réserve indue, à tout chercheur qualifié.

Contributions des auteurs

VR, CB et BY ont mené les expériences. VR et GG ont effectué l’analyse des données et rédigé le manuscrit.

Funding

Ce travail a été soutenu par le Conseil australien de la recherche (ARC), Australian paper, Norske Skog, Orora et Visy par le biais de la subvention Industry Transformation Research Hub IH170100020.

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière qui pourrait être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Matériel supplémentaire

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