Ce travail de thèse est consacré au développement de biocapteurs électrochimiques en utilisant des argiles ou des hydroxydes doubles lamellaires (HDL), riches en fer, comme matrices d'immobilisation de l'hémoglobine (Hb). Le but était de mettre en évidence la contribution des propriétés redox de ces matériaux dans l'amélioration des performances des biocapteurs par un phénomène de catalyse redox. L'hémoglobine est une métalloprotéine qui contient des porphyrines au fer (hème) comme sous-unité prosthétique. Une orientation privilégiée de cette biomolécule à la surface d'une électrode permet le transfert direct d'électrons entre le site actif de la protéine et l'électrode. Les propriétés électro-catalytiques de l'Hb immobilisée ont été étudiées pour la réduction du peroxyde d'hydrogène et ont permis la réalisation de différents biocapteurs ampérométriques. Nous avons immobilisé l'Hb dans plusieurs argiles cationiques contenant du fer : la nontronite de Garfield, des montmorillonites ferrifères synthétiques ou naturelles, ainsi qu'une montmorillonite synthétique servant de référence. Les propriétés électrochimiques de ces argiles ont été évaluées en voltammétrie cyclique et en impédancemétrie, en relation avec leurs propriétés structurales. Les isothermes d'adsorption de l'Hb dans ces argiles ont été établis montrant une forte affinité de l'Hb pour la nontronite. Nous avons montré que les argiles riches en fer octaédrique, notamment la nontronite, améliorent le transfert direct d'électrons entre l'Hb et l'électrode. L'immobilisation de l'Hb dans des HDL, de compositions différentes (MgAl et ZnAl) a été réalisée par adsorption et coprécipitation. Il faut noter que le fer situé en site octaédrique dans les HDL (MgFe) n'est pas électroactif et ne peut donc pas intervenir dans le processus électro-enzymatique. Les caractérisations physico-chimiques et morphologiques des biohybrides Hb-HDL ont été faites par plusieurs techniques, comme la DRX, IR, UV, MEB et MET, montrant une dénaturation partielle de la structure tertiaire de la protéine par la formation de liaisons hydrogènes entre la biomolécule et les feuillets hydroxylés des HDL; ce qui limite l'accessibilité de l'hème au transfert électronique direct. Outre l'immobilisation de l'Hb dans les HDL, nous avons également intercalé une métalloporphyrine chargée négativement, la FeTSPP, dans trois HDL de compositions différentes : Zn2Al, Mg2Al et Zn2Cr et nous avons réalisé la première étude électrochimique avec ces matériaux.

Depuis peu, des travaux ont montré que chez l’Homme, la transcétolase (TK, EC 2.2.1.1.) dont le cofacteur est la thiamine diphosphate (forme active de la vitamine B1), est une enzyme impliquée dans de nombreuses maladies telles que, le diabète, certains cancers, ou encore des maladies neurologiques, comme le syndrome de Wernicke-Korsakoff et la maladie d’Alzheimer. Pour des applications thérapeutiques, des inhibiteurs spécifiques de cette enzyme sont actuellement conçus et synthétisés dans les milieux académiques et industriels. Afin de déterminer l’activité de la TK (dans un but de diagnostic) d’une part, et de détecter des inhibiteurs potentiels de cette enzyme (dans un but thérapeutique) d’autre part, il est nécessaire de disposer de tests alliant rapidité, sensibilité et faible coût. Nous avons envisagé d’utiliser des biocapteurs ampérométriques qui combinent l’ensemble de ces avantages, et qui, de plus, n’ont jamais été mis en oeuvre avec la TK. Pour la détermination de l’activité des TK d’E. coli et humaine libres en solution, nous avons tout d’abord élaboré un premier biocapteur à galactose oxydase (GAOx, EC 1.1.3.9), dans lequel cette enzyme est immobilisée sur la laponite. Puis, dans le but de detecter des inhibiteurs de la TK, avec un système réutilisable, nous avons developpé un biocapteur à GAOx-TK d’E. coli, les deux enzymes étant co-immobilisées à la surface de l’électrode. Pour cela la TK a été immobilisée dans des Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL). Ce biocapteur bicouche et bi-enzymatique GAOx-TK, nous a permis d’évaluer l’effet d’inhibiteurs, tels que différents analogues du cofacteur et de substrats pris comme modèles. / Some recent studies have shown that human transketolase (TK, EC 2.2.1.1.), which thiamine diphosphate (active form of vitamin B1) is the cofactor, is involved in numerous disease such as diabete, some cancers and neurodegenerative diseases as Alzheimer’s disease and Wernicke-Korsakoff syndrome. For therapeutic purposes, TK inhibitors have been designed and synthesized in both academic and industrial fields. To determine TK activity (diagnostic) on the one hand, and to detect potential inhibitors of this enzyme (therapeutic) on the other hand, it is necessary to develop fast, sensitive and low cost assays. In this context, we designed some original amperometric biosensors that combine these advantages and were never studied with TK from now. We performed a first galactose oxidase (GAOx, EC 1.1.3.9) biosensor for E. coli and human TK activities detection. For that purpose, GAOx was immobilized on laponite matrix. Then, we designed a GAOx-TK biosensor by co-immobilization of GAOX and TK on the electrode surface that enabled the detection TK inhibitors with a reusable system. Thence, TK was immobilized in Layered Double Hydroxides (HDL). This bilayer and bi-enzymic biosensors, allowed us to determine the inhibitor potencies of several cofactors and substrates analogues as model compounds.

Les biocapteurs ampérométriques décrits dans ce travail sont basés sur l'immobilisation d'enzymes oxydo-réductases dans un polymère conducteur déposé à la surface des électrodes. Les performances des biocapteurs sont conditionnées par la méthode d'immobilisation mise en œuvre ainsi que les caractéristiques de la matrice qui en résulte. Une technique de polymérisation électrochimique a été utilisée pour fixer l'enzyme dans un dérivé du polythiophène, le poly(3,4 éthylènedioxythiophène) (PEDT). Les potentialités de cette technique ont été démontrées pour deux enzymes différentes : la glucose oxydase et la polyphénol oxydase. L'optimisation des paramètres opérationnels a été conduite d'abord en système batch, puis étendue au système d'analyse en flux continu (FIA). Ce système biocapteur-FIA est très adapté pour des mesures en continu de glucose dans les échantillons biologiques. La sélectivité de ce biocapteur en présence de composés interférents a été améliorée par la platinisation de l'électrode, qui rehausse la réponse au glucose, ou l'utilisation des médiateurs rédox. Un biocapteur à polyphénol oxydase exploitant l'amplification enzymatique mise en jeu a permis la détection des polluants phénoliques jusqu'à 50nM.