Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La soie présente une combinaison de propriétés mécaniques (souplesse, résistance et extensibilité) inégalée par les fibres synthétiques. Ce biopolymère a fait l'objet de plusieurs études fondamentales puisque les scientifiques souhaitent en mimer le caractère multifonctionnel afin de concevoir de nouveaux matériaux. Au cours de nos travaux, nous avons utilisé deux techniques de caractérisation complémentaires, soit la spectromicroscopie Raman et la microscopie rayons X à transmission à balayage (STXM), afin de caractériser quantitativement la conformation et l'orientation des protéines ainsi que la microstructure des fibres naturelles. La soie des vers à soie Bombyx mori et Samia cynthia ricini et des araignées Nephila edulis et Nephila clavipes a été étudiée. La spectromicroscopie Raman a été utilisée pour la première fois pour déterminer quantitativement l'orientation des feuillets p dans des monofilaments de soie. Les paramètres d'ordre (P2) et (P4) ont été déterminés à partir de la variation de l'intensité de la bande amide I avec la polarisation de la radiation. Ces paramètres d'ordre ont permis de déterminer la distribution d'orientation la plus probable pour chaque type de soie étudié. Les résultats indiquent que les groupements carbonyle possèdent une distribution d'orientation gaussienne et sont orientés perpendiculairement à l'axe de la fibre, donc que les feuillets (3 sont principalement orientés parallèlement à l'axe de la fibre. La décomposition de la bande amide I ainsi que le calcul des spectres isotropes a permis, pour la première fois, de quantifier simultanément le changement de conformation et d'orientation dans des fibres de fibroïne étirées du ver Samia cynthia ricini. Les résultats indiquent qu'à un taux d'élongation critique de 4, les hélices «sont converties en feuillets p. L'augmentation du niveau d'orientation des feuillets P coïncide avec le changement conformationnel observé. Pour la première fois, l'effet de la polarisation sur l'intensité de la bande d'absorption à 288,25 eV, associée à la transition C ls —» ^*amide, a été utilisé afin de calculer une carte quantitative de la distribution d'orientation des groupements carbonyle des liens amide avec une haute résolution spatiale (entre 40 et 100 nm). A partir d'images polarisées, il a été possible de calculer une carte du paramètre d'ordre (P2)- Les résultats indiquent que les fibres de soie (Bombyx mori et Nephila clavipes) possèdent une microstructure très fine dans laquelle de petits domaines très orientés sont dispersés uniformément dans une matrice relativement bien orientée. Nos résultats indiquent que la vitesse de filage de la soie d'araignée influence la structure de la surface des fibres, ainsi que la taille et le nombre de domaines présents. Les résultats obtenus par STXM sont en bon accord avec les résultats Raman et confirment que les chaînes polypeptidiques sont mieux orientées dans la soie de cocon comparativement à la soie d'araignée. Les résultats obtenus au cours de nos travaux ont permis de mieux comprendre l'organisation structurale des fibres de soie naturelle. Les travaux effectués ont mis en évidence que la spectromicroscopie Raman et la microscopie rayons X à transmission à balayage sont des techniques bien adaptées pour l'étude quantitative de l'orientation moléculaire dans des monofilaments de soie. Les méthodologies développées pourront être appliquées à l'étude d'autres types de soie ou de biomatériaux anisotropes. / Silk fibers display a combination of mechanical properties (flexibility, strength, and extensibility) yet unsurpassed by synthetic fibers. This biopolymer has been the subject of several fundamental studies since scientists wish to mimic its multifunctional character in the conception of new materials. We have used two complementary characterization techniques, Raman spectromicroscopy and scanning transmission X-ray microscopy (STXM), to quantitatively characterize the proteins conformation and orientation, as well as silk microstructure in natural fibers. Silkworm cocoon silks from Bombyx mori and Samia cynthia ricini and spider dragline silks from Nephila edulis and Nephila clavipes have been investigated. For the first time, Raman spectromicroscopy has been used to characterize quantitatively the (3-sheets orientation in silk monofilaments. The order parameters (P2) and (P4) have been determined from the effect of polarization on the intensity of the amide I band. These order parameters have allowed the determination of the most probable orientation distribution for each type of silk studied. Our results indicate that the carbonyl groups exhibit a Gaussian orientation distribution and are oriented perpendicular to the fiber axis; thus, the (3-sheets are mainly aligned parallel to the fiber axis. The amide I band decomposition coupled to the calculation of the isotropic spectrum allowed, for the first time, to simultaneously quantify the conformational and orientation changes taking place in stretched fibroin fibers from the silkworm Samia cynthia ricini. Our results show that the or-helices are readily converted to (3-sheets at the critical elongation ratio of 4. The increase of the level of orientation of the (3-sheets is concomitant with the observed conformational changes. For the first time, the polarization effect on the band at 288,25 eV, assigned to the C 1 s —» ;z*amide transition, was used to calculate a quantitative map of the orientation distribution of the amide carbonyl groups at high spatial resolution (between 40 and 100 nm). From polarized images, it was possible to generate a map of the (.P2) order parameter. Our results indicate that silk microstructure (Bombyx mori and Nephila clavipes) is very fine and characterized by the homogeneous dispersion of small highly oriented domains into a moderately oriented matrix. This technique is one of the few to allow the characterization of the orientation of the non crystalline fraction of silk. Our results show that the spinning speed has a direct effect on the surface structure of the spider silk samples as well as on the size and number of oriented domains present in the core of the fiber. The results obtained by STXM are in good agreement with the results obtained by Raman spectromicroscopy and confirm that the polypeptide chains are more well aligned in cocoon silk compared to spider silk. The results presented herein contribute to a better understanding of the structural organization of natural silks. Our results have shown that both Raman spectromicroscopy and scanning transmission X-ray microscopy are techniques well indicated to study the molecular orientation in silk monofilaments. The methods developed in this study could be used to characterize other types of silk or other anisotropic biomaterials.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Les propriétés mécaniques de la soie sont supérieures à toute autre protéine fibreuse et n'ont jamais été surpassées par aucun matériau synthétique. Une meilleure compréhension de la structure moléculaire de la soie et des changements qui s'opèrent pendant, avant et après le filage est requise pour maîtriser sa conception. La spectroscopic infrarouge fut utilisée pour étudier la structure moléculaire des fibres microscopiques de soie. Afin d'éviter les problèmes liés à l'acquisition de spectres par transmission, la réflexion totale atténuée (ATR) a été utilisée. Avec un nouveau montage permetant la rotation de l'échantillon, l'orientation et la conformation d'une seule fibre de soie furent quantifiées pour la première fois par spectroscopic infrarouge. Des simulations spectrales ont été effectuées pour trouver les conditions expérimentales minimisant ces effets optiques nuisibles à l'interprétation des spectres. Les constantes optiques de la soie native du ver à soie ont été déterminées pour la première fois afin d'exécuter des simulations spectrales avec des paramètres variables. Ses simulations ont également permis d'estimer l'amplitude des effets optiques observés pour tout autre système.