Thèse de doctorat : Pharmacologie : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg : 2009. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2002. / N° d'ordre (Lille) : 3216. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. en fin de chapitres.

Bis zu 95 % der Wirkstoffe von Arzneimittel der Humanmedizin werden unverändert ausgeschieden oder gelangen über die täglichen Hygiene in den Wasserkreislauf. Die meisten Substanzen werden sehr schnell und vollständig abgebaut oder liegen in Konzentrationen vor, in denen sie keine Gefährdung für die Umwelt und den Menschen darstellen. Im Gegensatz dazu gibt es aber auch Substanzen, die nur sehr schwer abgebaut werden können (persistent sind) und für die bereits negative Langzeiteffekte in umweltrelevanten Konzentrationen für Tiere nachgewiesen wurden. Ein Beispiel dafür ist der schmerzstillende Wirkstoff Diclofenac. Aus diesem Grund und wegen der guten Kenntnislage hinsichtlich Vorkommen, Abbauprodukte und Analytik wurde Diclofenac als Referenzverbindung für die Experimente im Rahmen dieses Projekts verwendet. Aufgrund der geringen Konzentration von Diclofenac in Wasser und der chemischen Stabilität von Diclofenac sowie einiger anderer Spurenstoffe sind herkömmliche Wasserbehandlungsverfahren, wie sie derzeit in Kläranlangen verwendet werden, ineffizient oder zu teuer. Deshalb gibt es zahlreiche Bemühungen, alternative und umweltschonende Behandlungsverfahren zur Entfernung von Arzneimittelrückständen aus Wasser zu entwickeln, die einen vollständigen Abbau der Rückstände ermöglichen. Idealerweise sollten technische Lösungen zur Verfügung stehen, die gegebenenfalls in jedem Land der Erde einsetzbar wären. Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz zur Entwicklung fotokatalytischer Schichten, die idealerweise bereits bei Tageslicht eine ausreichend hohe Aktivität aufweisen, ist besonders interessant, da es nach Optimierung weder des zusätzlichen Einsatzes von Chemikalien noch des Einsatzes von Energie bedarf. So werden durch die Bestrahlung des Katalysators (z.B. ZnO, TiO2) mit künstlichem UV-Licht, perspektifisch aber mit UV-A-Strahlung der Sonne sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zu reaktiven Hydroxylradikalen umgesetzt, die letztendlich die unspezifischen Spaltung organischer Verbindungen im Wasser bewirken. Voraussetzung für die Optimierung hinsichtlich katalytischer Aktivität und Empfindlichkeit gegenüber Tageslicht ist ein Herstellungsverfahren, das die Optimierung der fotokatalytischen Schichten bezüglich verschiedener Parameter (optimale Größe, enge Größenverteilung, Möglichkeit der einfachen Dotierung, Verhinderung der Agglomeration bei gleichzeitiger dauerhafter Immobilisierung) erlaubt. Diesbezüglich besonders aussichtsreich ist die Verwendung von hoch geordneten bakteriellen Hüllproteinen sogenannten „surface-layer“ (S-Layer)-Proteinen, die sowohl eine einfache Herstellung von fotokatalytisch aktiven Nanopartikeln aus verschiedenen Elementen erlauben, als auch zur Beschichtung verschiedener Materialien geeignet sind. Ein Ziel im Projekt ist die Herstellung von reinen und dotierten ZnO und TiO2-Nanopartikeln zur Eliminierung von Diclofenac aus Wasser (siehe Abbildung 1). Dabei dienen S-Layer verschiedener Bakterien und damit Proteinschichten mit unterschiedlichen Symmetrien, Gitterabständen und Porengröße als Template für die Herstellung von Nanopartikeln verschiedener aber definierter Größe. Darüber hinaus werden die S-Layer im Projekt als Trenn- und Immobilisierungsschicht für die erzeugten Nanopartikel genutzt. Letzteres vor allem zur Verhinderung einer Agglomeration und des Austrags der Nanopartikel, was beides einen Verlust der katalytischen Aktivität entsprechender Schichten bedeuten würde. Als Träger werden im Rahmen des Projekts verschiedene in technischen Anwendungen genutzte Materialien dahin gehend überprüft, in wie weit sich S-Layer darauf abscheiden lassen und stabile Schichten ausbilden und darauf aufbauend ein Trägermaterial für die Herstellung fotokatalytisch aktiver Beschichtungen ausgewählt. Gleichzeitig war es Ziel des Projektes, die Biomassegewinnung hinsichtlich eines Upscalings und hinsichtlich der Kosten zu optimieren. Ausgehend von dieser konkreten wissenschaftlichen Fragestellung war es auch Ziel des Projektes, ein verwertungsorientiertes Netzwerk aufzubauen. Dies vor allem zur Sicherung der Fortentwicklung der neuen Materialien und der Weiterführung der begonnenen Arbeiten in dem konkreten Forschungsgebiet mit dem Ziel der Entwicklung eines marktreifen Produktes aber auch zur Etablierung einer dauerhaften Kooperation zwischen den verschiedenen Forschungs- und Industriepartnern. Diese Ziele sollten insbesondere über eine Vernetzung von Instituten innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft, weiteren regionalen und überregionalen Forschungseinrichtungen sowie Industriepartnern erreicht werden. Die sehr gute gerätetechnische Ausstattung, die im vorliegenden Fall über die Projektmittel erreicht wurde, war nicht nur Voraussetzung zur Durchführung der geplanten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und zur Herstellung von Materialien im kleintechnischen Maßstab, sondern erhöhte auch die Attraktivität des Teams als Projektpartner weiter und nachhaltig. Erfahrungen aus dem Projekt und dem Prozess der Netzwerkbildung sollen insbesondere unter Einbeziehung der Geschäftsstelle der Leibniz-Gemeinschaft zur Entwicklung eines Prozessleitfadens für die Bildung von Verwertungs- und Transfernetzwerken innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft genutzt werden.

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 210-232.

Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2002. / N° d'ordre (Lille) : 3222. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 235-251.

Thèse de doctorat : Sciences du Vivant : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 165-175.

La détection de molécules biologiques dans les environnements physiologiques est essentielle aux soins de santé et la surveillance de l'environnement. Dans ces travaux de thèse, nous étudions et utilisons des surfaces d'or pour la détection de biomolécules, avec l'inclusion de composants nanométriques-spécifiquement, des monocouches auto assemblées (SAMs) d'alcane-thiol et des coquilles d'or nanostructurées-dans l'intention d'améliorer les méthodes de détection biomoléculaire. La fonctionnalisation des surfaces d'or avec des SAMs permet un contrôle de la densité et de l'orientation des biomolécules immobilisées. En utilisant la spectroscopie infrarouge de surface, la spectroscopie de photoelectrons X (XPS) ainsi que la modélisation, utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), nous avons trouvé que les SAMs à base de chaînes courtes et de chaînes longues des alcane-thiols ont eu des environnements de l'accroche des atomes de soufre différents. De plus, nous avons trouvé que l'immobilisation et la reconnaissance de protéines varie avec la longueur de la chaîne de SAMs ainsi qu'avec la présence d'un réticulant. Dans la seconde partie des travaux, nous avons synthétisé des coquilles d'or nanostructurées sur des particules magnétiques afin de combiner la séparation magnétique et la détection de biomolécules. Nous avons montré qu'elles pouvaient être utilisés comme substrats pour la spectrométrie Raman exaltée de surface (SERS). Afin d'établir une preuve de concept, nous avons réalisé des tests dans lesquels ces particules ont été utilisées pour détecter l'immobilisation d'oligonucléotides et l'hybridation avec SERS. / Detecting biomolecules in physiological environments is critical to health care and environmental monitoring. In this work, we study and use gold surfaces for biomolecule detection while incorporating nanoscale components—specifically, self-assembled monolayers (SAMs) of alkanethiols and gold nanostructured shells—with the goal of improving biomolecule detection methods. Using SAMs to functionalize gold surfaces can offer control over biomolecule binding density and orientation while still keeping the biomolecules near the sensing surface. Using surface IR spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and density functional theory (DFT) modeling, we found that SAMs of short-chain and long-chain amine-terminated alkanethiols on gold had different sulphur binding environments. We also found that protein binding and recognition on the two different SAMs varied with SAM chain length and was also influenced by the presence of a cross-linker. In the second part of this work, we synthesized gold nanostructured shells on magnetic particles for combined separation and detection of biomolecules. We demonstrated their use as substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) As a proof-of-concept, we demonstrated the use of these particles to detect oligonucleotide binding and hybridization with SERS using a Raman-tagged oligonucleotide hairpin probe.

Bis zu 95 % der Wirkstoffe von Arzneimittel der Humanmedizin werden unverändert ausgeschieden oder gelangen über die täglichen Hygiene in den Wasserkreislauf. Die meisten Substanzen werden sehr schnell und vollständig abgebaut oder liegen in Konzentrationen vor, in denen sie keine Gefährdung für die Umwelt und den Menschen darstellen. Im Gegensatz dazu gibt es aber auch Substanzen, die nur sehr schwer abgebaut werden können (persistent sind) und für die bereits negative Langzeiteffekte in umweltrelevanten Konzentrationen für Tiere nachgewiesen wurden. Ein Beispiel dafür ist der schmerzstillende Wirkstoff Diclofenac. Aus diesem Grund und wegen der guten Kenntnislage hinsichtlich Vorkommen, Abbauprodukte und Analytik wurde Diclofenac als Referenzverbindung für die Experimente im Rahmen dieses Projekts verwendet. Aufgrund der geringen Konzentration von Diclofenac in Wasser und der chemischen Stabilität von Diclofenac sowie einiger anderer Spurenstoffe sind herkömmliche Wasserbehandlungsverfahren, wie sie derzeit in Kläranlangen verwendet werden, ineffizient oder zu teuer. Deshalb gibt es zahlreiche Bemühungen, alternative und umweltschonende Behandlungsverfahren zur Entfernung von Arzneimittelrückständen aus Wasser zu entwickeln, die einen vollständigen Abbau der Rückstände ermöglichen. Idealerweise sollten technische Lösungen zur Verfügung stehen, die gegebenenfalls in jedem Land der Erde einsetzbar wären. Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz zur Entwicklung fotokatalytischer Schichten, die idealerweise bereits bei Tageslicht eine ausreichend hohe Aktivität aufweisen, ist besonders interessant, da es nach Optimierung weder des zusätzlichen Einsatzes von Chemikalien noch des Einsatzes von Energie bedarf. So werden durch die Bestrahlung des Katalysators (z.B. ZnO, TiO2) mit künstlichem UV-Licht, perspektifisch aber mit UV-A-Strahlung der Sonne sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zu reaktiven Hydroxylradikalen umgesetzt, die letztendlich die unspezifischen Spaltung organischer Verbindungen im Wasser bewirken. Voraussetzung für die Optimierung hinsichtlich katalytischer Aktivität und Empfindlichkeit gegenüber Tageslicht ist ein Herstellungsverfahren, das die Optimierung der fotokatalytischen Schichten bezüglich verschiedener Parameter (optimale Größe, enge Größenverteilung, Möglichkeit der einfachen Dotierung, Verhinderung der Agglomeration bei gleichzeitiger dauerhafter Immobilisierung) erlaubt. Diesbezüglich besonders aussichtsreich ist die Verwendung von hoch geordneten bakteriellen Hüllproteinen sogenannten „surface-layer“ (S-Layer)-Proteinen, die sowohl eine einfache Herstellung von fotokatalytisch aktiven Nanopartikeln aus verschiedenen Elementen erlauben, als auch zur Beschichtung verschiedener Materialien geeignet sind. Ein Ziel im Projekt ist die Herstellung von reinen und dotierten ZnO und TiO2-Nanopartikeln zur Eliminierung von Diclofenac aus Wasser (siehe Abbildung 1). Dabei dienen S-Layer verschiedener Bakterien und damit Proteinschichten mit unterschiedlichen Symmetrien, Gitterabständen und Porengröße als Template für die Herstellung von Nanopartikeln verschiedener aber definierter Größe. Darüber hinaus werden die S-Layer im Projekt als Trenn- und Immobilisierungsschicht für die erzeugten Nanopartikel genutzt. Letzteres vor allem zur Verhinderung einer Agglomeration und des Austrags der Nanopartikel, was beides einen Verlust der katalytischen Aktivität entsprechender Schichten bedeuten würde. Als Träger werden im Rahmen des Projekts verschiedene in technischen Anwendungen genutzte Materialien dahin gehend überprüft, in wie weit sich S-Layer darauf abscheiden lassen und stabile Schichten ausbilden und darauf aufbauend ein Trägermaterial für die Herstellung fotokatalytisch aktiver Beschichtungen ausgewählt. Gleichzeitig war es Ziel des Projektes, die Biomassegewinnung hinsichtlich eines Upscalings und hinsichtlich der Kosten zu optimieren. Ausgehend von dieser konkreten wissenschaftlichen Fragestellung war es auch Ziel des Projektes, ein verwertungsorientiertes Netzwerk aufzubauen. Dies vor allem zur Sicherung der Fortentwicklung der neuen Materialien und der Weiterführung der begonnenen Arbeiten in dem konkreten Forschungsgebiet mit dem Ziel der Entwicklung eines marktreifen Produktes aber auch zur Etablierung einer dauerhaften Kooperation zwischen den verschiedenen Forschungs- und Industriepartnern. Diese Ziele sollten insbesondere über eine Vernetzung von Instituten innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft, weiteren regionalen und überregionalen Forschungseinrichtungen sowie Industriepartnern erreicht werden. Die sehr gute gerätetechnische Ausstattung, die im vorliegenden Fall über die Projektmittel erreicht wurde, war nicht nur Voraussetzung zur Durchführung der geplanten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und zur Herstellung von Materialien im kleintechnischen Maßstab, sondern erhöhte auch die Attraktivität des Teams als Projektpartner weiter und nachhaltig. Erfahrungen aus dem Projekt und dem Prozess der Netzwerkbildung sollen insbesondere unter Einbeziehung der Geschäftsstelle der Leibniz-Gemeinschaft zur Entwicklung eines Prozessleitfadens für die Bildung von Verwertungs- und Transfernetzwerken innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft genutzt werden.

Increasing the integration density of electron device components will necessitate the use of new nanofabrication paradigms that complement and extend existing technologies. One potential approach to overcome the current limitations of electron-beam lithography may involve the use of hybrid systems, in which existing lithographic techniques are coupled with “bottom up” approaches such as supramolecular self-assembly. In this respect, biological systems offer some unique possibilities as they combine both self-organization and spatial patterning at the nanometer length scale. In particular, Surface Layer Proteins (S-layers) can facilitate high order organization and specific orientation of inorganic structures as they are two-dimensional porous crystalline membranes with regular structure at the nanometer scale. In this framework, the aim of the present work was the characterization of the S-layer of Sporosarcina ureae ATCC 13881 (SslA) with respect to its self-assembling properties and modification that would allow it to be employed as a patterning element and a new building block for nanobiotechnology. In vitro recrystallization experiments have shown that wild type SslA self-assembles into monolayers, multilayers or tubes. Factors such as initial monomer concentration, Ca2+ ions, pH of the recrystallization buffer and the presence of a silicon substrate have a strong influence on the recrystallization process. SslA monolayers proved to be an excellent biotemplate for ordered assembly of gold nanoparticle arrays. The recombinant SslA after expression and purification formed micrometer sized, crystalline monolayers exhibiting the same lattice structure as the wild type protein (p4 symmetry). This remarkable property of self-assembling has been preserved even when SslA was truncated. The deletion of both, N- and C-terminal SslA domains does not hinder self-assembly; the resulting protein is able to form extended monolayers that exhibit the p4 lattice symmetry. The central SslA-domain is self sufficient for the self-assembly. The possibility to change the natural properties of S-layers by genetic engineering techniques opens a new horizon for the tuning of their structural and functional features. The SslA-streptavidin fusion protein combines the remarkable property of self-assembling with the ligand i.e. biotin binding function. On silicon wafers, this chimeric protein recrystallized into coherent protein layers and exposes streptavidin, fact demonstrated by binding studies using biotinylated quantum dots. In this way, it can serve as a functional surface for controlled immobilization of biologically active molecules but also as a platform for the synthesis of planar arrays of quantum dots. Furthermore, the results open up exciting possibilities for construction of hybrid S-layers, structures that may ultimately promote the fabrication of miniaturized, nanosized electronic devices.