I denna avhandling beskrivs tillverkning, karaktärisering och tillämpning av ett antal biomimetiska ytor. Biomimetik är att härma naturen och grundtanken är att titta på hur naturen löst liknande problemställningar. Två olika typer av modellsystem med inspiration från naturen har tagits fram för framtida tillämpningar inom bioanalys, biosensorer samt antifrysmaterial. Det ena typen av modellsystem innefattar fosforylerade ytor och det andra består av ytor som härmar antifrys(glyko)proteiner. Ytorna tillverkades av monolager av självorganiserande svavelorganiska molekyler och karaktäriserades före tillämpning med hjälp av ellipsometri, IR-spektroskopi, kontaktvinkelmätning och röntgenfotoelektronspektroskopi. Modellsystemen för att studera vattenfrysning på ytor inspirerades av antifrys(glyko)proteiner som bl.a. kan hittas i polarfiskar. Två modellsystem utvecklades och studerades med avseende på frysning av kondenserat vatten. Det ena designades att härma den aktiva domänen hos ett antifrysglykoproteiner (AFGP) och det andra härmade typ I antifrysproteiner (AFP I). Frysstudierna visade på signifi-kanta skillnader för AFGP-modellen jämfört med ett (OH/CH3) referenssystem med jämförbar vätbarhet, men inte för AFP Imodellen. Vattnet frös vid högre temperatur för AFGPmodellen. Modellsystemen med fosforylerade ytor inspirerades av fosforylering och biomineralisering. Två system utvecklades, ett med långa och ett med korta alkylkedjor på aminosyraanalogerna, både med och utan fosfatgrupp. En ny metod användes med skyddsgrupper på fosfaterna hos de långa analogerna innan bildandet av monolager. Skyddsgrupperna togs bort efter bildandet av monolager. Dessa monolager undersöktes också med elektrokemiska metoder och signifikant högre kapacitans observerades för de fosforylerade monolageren jämfört med de icke fosforylerade. / This thesis describes the preparation, characterization and application of a few biomimetic surfaces. Biomimetics is a modern development of the ancient Greek concept of mimesis, i.e. man-made imitation of nature. The emphasis has been on the preparation and characterization of two types of model systems with properties inspired by nature with future applications in bioanalysis, biosensors and antifreeze materials. One type of model system involves phosphorylated surfaces; the other consists of surfaces mimicking antifreeze (glyco)proteins. The surfaces were made by chemisorbing organosulfur substances to a gold surface into monomolecular layers, so called self-assembled monolayers (SAMs). The physicochemical properties of the SAMs were thoroughly characterized with null ellipsometry, contact angle goniometry, x-ray photoelectron spectroscopy and infrared spectroscopy prior to application. The work on antifreeze surfaces was inspired by the structural properties of antifreeze (glyco)proteins, which can be found in polar fish. Two model systems were developed and studied with respect to ice nucleation of condensed water layers. One was designed to mimic the active domain of antifreeze glycoproteins (AFGP) and the other mimicked type I antifreeze proteins (AFP I). Subsequent ice nucleation studies showed a significant difference between the AFGP model and a (OH/CH3) reference system displaying identical wetting properties, whereas the AFP I model was indistinguishable from the reference system. The model systems with phosphorylated surfaces were inspired from phosphorylations and biomineralization. Two systems were developed, short- and long-chained amino acid analogues, with and without a phosphate group. A novel approach with protected groups before attachment to gold were developed for the long-chained analogues. The protective groups could be removed successfully after assembly. The long-chained SAMs were evaluated with electrochemical methods and significantly higher capacitance values were observed for the phosphorylated SAMs compared to the non-phosphorylated.

L'adhésion contrôlée et la migration orientée des cellules est fondamentale pour plusieurs processus physiologiques et pathologiques. Une famille de polysaccharides linéaires, connus sous le nom de glycosaminoglycanes (GAG) est impliquée dans l'organisation et la présentation des protéines de signalisation, les chimiokines, à la surface des cellules et dans la matrice extracellulaire (ECM). Les travaux concernent le développement de surfaces biomimétiques bien définies aux niveaux moléculaires et supramoléculaires pour l‘étude des mécanismes d'intéractions protéines-GAG et l'analyse de la réponse cellulaire à des signaux biochimiques et biophysiques spécifiques. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre les communications cellule-cellule et cellule-matrice induites par les GAGs.En utilisant la ligation oxime, les GAGs peuvent être fonctionnalisés de manière stable par la biotine à leur extrémité réductrice, ce mode de couplage s'est avéré déterminant pour préparer des surfaces fonctionnalisées par les GAGs de manière stable. Une monocouche de streptavidine est utilisée comme plateforme modulable pour assembler séquentiellement les molécules biotinylées, avec une orientation et des densités de surface contrôlées. Des GAGs (les héparane sulfate (HS), en particulier), des chimiokines et d'autres composants de l'ECM (par exemple un ligand d'adhésion cellulaire, RGD) ont été assemblés reconstituant certains aspects des surfaces in vivo (cellules ou de l'ECM). La microbalance à quartz (QCM-D) et l'ellipsométrie spectroscopique nous ont permis de caractériser et de contrôler la présentation supramoléculaire du HS et du RGD. Ces surfaces modèles ont été utilisées pour étudier les interactions supramoléculaires entre le HS et la chimiokine SDF-1α/CXCL12α facteur d'origine stromale et pour analyser les réponses cellulaires aux signaux extracellulaires. Nos données apportent la preuve que la chimiokine, CXCL12α rigidifie les assemblages de HS, et que cet effet est dû à la réticulation des chaînes de HS induite par la protéine. La cinétique des interactions HS-chimiokine a été quantifiée en utilisant la résonance plasmonique de surface (SPR). Nous avons également démontré que le mode de présentation de la chimiokine sur la surface, en particulier la présence des HS, influence le comportement des myoblastes. Nos données montrent que les récepteurs cellulaires CXCR4 (récepteur de la CXCL12α) et l'intégrine (récepteur du RGD) peuvent agir en synergie pour contrôler l'adhésion et la migration cellulaire. Ces surfaces modèles fournissent des indications précieuses qui pourront être appliquées au domaine de la glycobiologie, par exemple, pour étudier le rôle des GAGs dans la migration cellulaire induite par les chimiokines. / The oriented migration and controlled adhesion of cells is fundamental to many physiological and pathological processes. A family of linear polysaccharides, known as glycosaminoglycans (GAGs), help organizing and presenting signaling proteins, so-called chemokines, on the cell surface and in the extracellular matrix thus regulating cellular behavior. The objective of this PhD thesis was to develop biomimetic surfaces that are highly defined and tunable, for mechanistic studies of GAG-protein interactions on the molecular and supramolecular levels, and to probe cellular responses to defined biochemical and biophysical cues to better understand GAG-mediated cell-cell and cell-matrix communications.Applying oxime ligation, GAGs could be stably functionalized with biotin at the reducing end, and these features proved crucial for the reliable preparation of GAG-functionalized surfaces. A streptavidin monolayer served as a ‘molecular breadboard' to sequentially assemble biotinylated molecules with controlled orientation and surface densities. GAGs (heparan sulfate (HS) in particular), chemokines and other ECM components (e.g. integrin ligands promoting cell adhesion, RGD) were assembled into multifunctional surfaces that recapitulate selected aspects of the in vivo situation. Quartz crystal microbalance (QCM-D) and spectroscopic ellipsometry permitted us to characterize and control the supramolecular presentation of HS and RGD. These model surfaces were used to study the supramolecular interactions between HS and the selected chemokine stromal derived factor SDF-1α/CXCL12α and to analyze cellular responses to extracellular cues. Our data provide evidence that CXCL12α binding rigidifies HS assemblies, and that this effect is due to protein-mediated cross-linking of HS chains. The kinetics of chemokine binding to HS was quantified using surface plasmon resonance (SPR). We also demonstrate that the way in which the chemokine is presented, and in particular the presence of HS, is important for regulating myoblast behavior. Our data shows that the cell surface receptors CXCR4 (the CXCL12α receptor) and integrins (the RGD receptor) can act synergistically in controlling cellular adhesion and migration. These surfaces can generate novel insights in the field of glycobiology, e.g. in dissecting the function of GAGs in chemokine-mediated cellular migration.

La microscopie à force atomique (AFM) permet de visualiser la topographie d’échantillons organiqueset inorganiques à l’échelle atomique. Les innovations les plus récentes offrent désormais la possibilitéd’accéder aux propriétés nano-mécaniques des échantillons (élasticité, adhésion…). Son panel defonctionnalités permet de pallier aux besoins des nanotechnologies, tant dans les domaines de laphysique, de la chimie que de la biologie.Cependant, les besoins nécessaires à la compréhension des processus biologiques imposent aumicroscope à force atomique des vitesses d’acquisitions rapides, inférieures à la seconde par image. Leséquipements classiques n’offrent pas cette possibilité. C’est pour s’affranchir de ce verrou technologique,pour l’étude dynamique, qu’un prototype de microscope à force atomique à haute-vitesse a étédéveloppé (HS-AFM) en partenariat avec l’équipe du Professeur T. Ando à l’Université de Kanazawa(Japon). Il permet d’atteindre des vitesses de balayage identiques aux vitesses vidéos : 25-50 images/s, enmilieu liquide. Le dispositif est en perpétuelle amélioration : nouvelle boucle d’asservissement, domainesde balayage augmentés. La haute résolution est, quant à elle, assurée par des leviers miniaturisés munisde sur-pointes en carbone. Parallèlement à l’innovation du microscope en lui-même, des modulescomplémentaires ont été développés : module pousse seringue et module chauffant.Le potentiel de ce prototype, développé dans le cadre d’un programme ANR PNANO 2008 HSnanobio-Imaging, a été montré via l’étude d’une petite protéine de choc thermique : la protéine sHspLo18. Cette protéine, issue de la bactérie lactique Oenococcus oeni, offrait la possibilité d’étudier deschangements de degrés d’oligomérisation en fonction du pH, ainsi que le rôle chaperon et lipochaperonen cas de stress environnemental d’autres complexes biologiques. L’utilisation des techniques demicroscopie couplée à des études biochimiques sur ce modèle protéique a permis d’appréhender l’effetdes surfaces sur l’adsorption et la dynamique des complexes biologiques. L’interaction protéine – surfacea pu être approchée et s’avère utile au développement des capteurs à protéines / The atomic force microscopy (AFM) gives access to the topography of organic and inorganic samplesat the atomic scale. The latest innovations offer the possiblity to understand the sample nano-mechanicalproperties (elasticity, adhesion...). Its feature set allows overcoming the demands of nanotechnology,both in the fields of physics, chemistry and biology.However, understanding biological processes require faster acquisitions for the atomic forcemicroscopy, less than a second per frame. As conventional equipment does not offer the possibility toovercome the constraint of time for dynamical studies, a prototype of high-speed atomic forcemicroscope (HS-AFM) was developed in partnership with Professor T. Ando group of Kanazawa University(Japan). It can reach scanning video speed: 25-50 frames/s in a liquid medium. The device is beingconstantly improved: new feedback control, larger scanning sizes. The resolution is provided byminiaturized cantilevers with carbon EBD-tips. In parallel to innovative modules on the microscope, addonshave been developed: syringe pump and heating modules.The potential of the prototype, developed within the framework of the program ANR PNANO 2008HS-nanobio-Imaging, has been shown through the study of a small heat shock protein: the protein sHspLo18. This protein, from the lactic acid bacterium Oenococcus oeni, offered the possibility of a variouschanges of oligomerization degrees according to the pH, and also the chaperone and lipochaperon activityof protein under the influence of an environmental stress. The use of these techniques of microscopiescoupled with biochemical studies on this proteic model allowed to dread the effect of surfaces on theadsorption and the dynamics of biological complexes. The interaction protein – surface coulb be toapprehend and proves to be useful for the development of protein sensors developed in the laboratory