Dans cette thèse, l’auto-assemblage en molécules colloïdales de virus en forme de filament, les bactériophages M13, est étudié. Comme première approche, l’affinité de la streptavidine pour la biotine ou un Strep-tag est utilisée et quantitativement comparée. Pour ce faire, des virus modifiés génétiquement, M13-AS, présentant des Strep-tag et des virus M13C7C chimiquement bioconjugués par de la biotine ont réagi via leur extrémité proximale avec des nanoparticules fonctionnalisées par de la streptavidine. Il en résulte la formation de molécules colloïdales en étoile, dont la valence ou nombre de virus par structure, peut être simplement contrôlée par l’excès molaire initial. Cependant, la stabilité de ces molécules colloïdales est limitée par la libération progressive et la dégradation de la streptavidine. Nous avons alors développé une seconde approche basée sur l’affinité soufre-métal, qui s’est avérée à la fois pratique expérimentalement et fiable. Grâce aux groupements disulfures présents sur les cystéines de la protéine P3, des nanoparticules métalliques peuvent se lier à l’extrémité des virus. Le caractère générique de cette méthode est vérifié en faisant varier la nature du métal des nanoparticules ainsi que la souche des virus, dont la sauvage. La valence des structures formées est déterminée en fonction de plusieurs paramètres, dont l’excès molaire initial, la taille des nanoparticules et la force ionique. Un modèle rendant compte des résultats expérimentaux a été élaboré, dont les principales variables sont la surface des nanoparticules et le diamètre effectif électrostatique des virus. Cette approche est étendue à la réalisation de diblocs colloïdaux hétéro bifonctionnels, utilisant les virus comme briques constitutives. Comme preuve de concept, des diblocs bicolores à base de virus sont obtenus par auto-assemblage et leur dynamique est étudiée à l’échelle du bloc élémentaire en microscopie optique de fluorescence. Ainsi, nous avons montré dans cette thèse la réalisation par auto-assemblage d’une nouvelle génération de molécules colloïdales, dont l’auto-organisation peut conduire à la formation de superstructures hiérarchiques hybrides de complexité croissante, potentiellement utiles en sciences des matériaux. / In this thesis, the self-assembly of rod-like viral particles, specifically the M13 bacteriophages, into colloidal molecules is studied. As the first method, the affinity of streptavidin to biotin or Strep-tag is used and quantitatively compared. In this case, both biologically engineered M13-AS displaying Strep-tags and chemically biotinylated M13C7C viruses have reacted with streptavidin activated nanoparticles via their functionalized proximal ends. This results in star-like colloidal molecules, whose valency – or number of viruses par structure – can be solely controlled by tuning the initial molar excess. However, the stability of these colloidal molecules is limited by streptavidin release and degradation. Thus, we develop the second method based on the sulfur—metal interactions, which is more convenient and reliable. Thanks to the exposed disulfide groups located at p3 proteins, metallic nanoparticles are able to bind to proximal ends of the M13 virus. The generic feature of this method is verified by using different metals and two virus strains including wt-M13. Afterwards, the control of the valency is explored by varying the initial molar excess, the nanoparticle size and the ionic strength. A quantitative model is built correspondingly, using the surface area of Au nanobead and the effective electrostatic diameter of the virus as variables, which accounts for the assembly of colloidal molecules with desired valencies. This method is further applied to assemble heterobifunctional diblocks by using filamentous viruses as building units. As a proof-of-concept experiment, bicolored diblocks are produced and tracked by each block simultaneously. Overall, we demonstrate the synthesis of a new generation of hybrid colloidal molecules, whose self-organization could serve as a promising means to create novel hierarchical biologic/inorganic superstructures that may find applications in materials science.

Les molécules colloïdales peuvent être décrites comme des agrégats robustes de particules sphériques prenant la forme de certaines molécules simples. La préparation de suspensions de molécules colloïdales est étudiée afin d’obtenir de hauts rendements en morphologie et des distributions étroites en taille des objets, conditions indispensables pour envisager de futures applications comme leur assemblage et l’élaboration de matériaux. La stratégie repose sur l’introduction de germes de silice fonctionnalisés dans une polymérisation en émulsion du styrène, menant à la nucléation-croissance d’un nombre restreint de nodules sphériques de latex ancrés à la surface de la silice.Les travaux proposent une optimisation des voies de préparation (i) des germes de silice par voie sol-gel et (ii) des particules de latex de PS par polymérisation en émulsion. Les structures des clusters silice/PS sont caractérisées par cryo-tomographie électronique et leur formation fait l’objet de discussions notamment en s’appuyant sur des modèles géométriques connus et en proposant un nouveau modèle de croissance des nodules. Enfin, une étude préliminaire est menée afin de recouvrir ces clusters d’une couche d’oxyde (SiO2 et TiO2). / The colloidal molecules are described as robust aggregates of spherical particles mimicking the space-filling models of simple conventional molecules. Their preparation is studied in order to obtain high morphology yields and narrow size distributions, as required to expect future applications like supracolloidal assembly and materials fabrication. The strategy is based on introduction of functionalized silica seeds in a styrene emulsion polymerization batch, leading to nucleation/growth of a discrete number of spherical PS nodules anchored to the silica surface.The study proposes an optimization of the synthesis of (i) the silica seeds by a sol-gel process and (ii) the PS latex particles by an emulsion polymerization. Silica/PS clusters structures are characterized by cryo-electron tomography and their arrangement is discussed using well-known geometrical models and suggesting a new model of nodules growth. At last, a preliminary study is carried out to cover these clusters with an oxide shell (SiO2 and TiO2).