Génie Chimique et Biomoléculaire

Recherche Paul Kenis

Systèmes Microchimiques: Microréacteurs, Cellules Micro-Combustibles et Outils Microfluidiques

Groupe de recherche Kenis

Dans le groupe de recherche Kenis, nous exploitons la capacité d’un contrôle exquis des phénomènes de transport à l’échelle microscopique pour étudier les phénomènes fondamentaux (y compris la chimie des protéines, la biologie cellulaire) et développer de nouvelles technologies pour une gamme d’applications, y compris la conversion d’énergie, la synthèse chimique et les études biologiques fondamentales. Pour mener des recherches dans ces domaines interdisciplinaires, nous avons développé une expertise de base dans la caractérisation des systèmes électrochimiques, la microfabrication, les technologies microfluidiques, ainsi que la modélisation analytique et informatique des phénomènes de transport, et les techniques de caractérisation analytique et matérielle telles que divers types de spectroscopie et de microscopie.

Actuellement, le groupe poursuit des projets de recherche dans les domaines suivants:

1. Systèmes électrochimiques pour la conversion du dioxyde de carbone et les piles à combustible
2. Plates-formes microfluidiques de cristallisation de protéines et de produits pharmaceutiques
3. Plates-formes microfluidiques pour l’étude des processus inter et intra-cellulaires
4. Microréacteurs pour la synthèse chimique
5. Technologies de fabrication pour la microfluidique
6. Projets « bio » microfluidiques émergents

1. Systèmes électrochimiques pour la conversion du dioxyde de carbone et les piles à combustible

1a. Réduction électrochimique du CO2:

Les niveaux de CO2 dans l’atmosphère n’ont cessé d’augmenter, ce qui a eu un impact négatif sur le climat mondial. De multiples stratégies, telles que la capture et la séquestration du carbone, le passage à des carburants plus propres, l’utilisation accrue des sources d’énergie renouvelables et l’augmentation de l’efficacité énergétique des bâtiments, doivent être utilisées simultanément pour freiner cette hausse. La réduction électrochimique du CO2 en produits chimiques à valeur ajoutée ou leurs intermédiaires est une autre approche pour relever ce défi. Ce processus peut être entraîné par l’énergie excédentaire provenant de sources renouvelables intermittentes, fournissant ainsi un moyen de stocker l’énergie renouvelable intermittente excédentaire tout en recyclant simultanément le CO2 en tant que vecteur d’énergie. De plus, en utilisant le CO2 comme matériau de départ pour la production chimique, la dépendance de la société vis-à-vis des combustibles fossiles est réduite.

Pour la réduction électrochimique du CO2, notre groupe vise à améliorer la sélectivité des produits, l’efficacité énergétique et le taux de conversion grâce au développement de nouveaux catalyseurs, à l’application d’électrolytes appropriés et à l’optimisation de la structure des électrodes et de la conception du réacteur. Par exemple, nous avons réduit la surpotentielle de la cellule à moins de 0.2 V en utilisant une solution aqueuse contenant du tétrafluoroborate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium (EMIM BF4), qui stabilise vraisemblablement un intermédiaire réactionnel (Rosen et al. Science, 2011). Nous avons également développé des catalyseurs organométalliques à base d’argent qui présentent une activité catalytique élevée à faible charge en Ag (Thorson et al., J. Am. Chem. Soc., 2012). En tant que matériau de support, le TiO2 est utilisé pour minimiser la taille des particules d’Ag et augmenter l’activité du catalyseur, ce qui entraîne une charge d’Ag considérablement plus faible sans sacrifier les performances de réduction du CO2 en CO (Ma et al., ChemSusChem, 2014). En outre, l’ingénierie de la structure de la couche de catalyseur fournit une approche pour maximiser l’utilisation du catalyseur et les performances globales. Une méthode automatisée de dépôt de catalyseur par aérographe a conduit à des performances élevées en matière de réduction du CO2 avec une charge de catalyseur réduite, tandis que l’évolution indésirable de H2 était supprimée (Jhong et al., Adv. Énergie Mater., 2013).

Actuellement, nous poursuivons des recherches visant à améliorer les catalyseurs, les électrodes et les conditions de fonctionnement pour la conversion électrochimique du CO2 en produits chimiques d’intérêt. Certains de ces travaux sont en collaboration avec d’autres: Nakashima, Lyth à Kyushu, au Japon; et Rich Masel à Dioxide Materials.

1b. Piles à combustible:

(2) Plates-formes microfluidiques pour la cristallisation de protéines ou de produits pharmaceutiques

La cristallisation de protéines et de produits pharmaceutiques peut rapidement devenir très coûteuse en raison des grandes quantités de matériaux nécessaires au criblage pour des conditions de cristallisation optimales. Malgré la disponibilité d’instruments de criblage de cristallisation robotisés automatisés pouvant utiliser des gouttes de la taille d’un nanolitre, l’investissement important en capital requis rend ces instruments pratiques uniquement pour quelques laboratoires ou centres de cristallisation bien financés. Nos plates-formes microfluidiques pour la cristallisation protéique et pharmaceutique (i) permettent un criblage à haut débit et une optimisation des conditions de cristallisation tout en utilisant quelques nanolitres par essai; (ii) sont une alternative simple à utiliser et rentable aux robots de cristallisation pour le laboratoire moyen; et (iii) sont compatibles avec les techniques analytiques par une sélection appropriée des matériaux (par exemple, une transmission élevée des rayons X, des UV et des infrarouges). Étant transparentes aux rayons X, nos puces peuvent être montées directement dans un faisceau de rayons X pour la collecte de données en contournant l’étape de récolte manuelle des cristaux. Nos plateformes microfluidiques permettent d’étudier les sciences fondamentales de la cristallisation (ensemencement des cristaux, taux de nucléation et de croissance) ainsi que les sciences appliquées (analyse structurale, criblage des formes solides) pour la cristallisation protéique et pharmaceutique.

2a. Cristallisation des protéines membranaires:

Les protéines membranaires (MPs) résident à l’intérieur de la membrane cellulaire et agissent comme médiateurs pour la transduction du signal, de l’énergie et de la matière dans et hors de la cellule. Sans surprise, le dysfonctionnement des protéines membranaires a été lié à de nombreuses maladies (Quick et Javitch, PNAS, 2007). Les MP sont donc des cibles médicamenteuses courantes. Diverses analyses ont montré que les MPs constituent près de 30 % des protéines codées dans les génomes d’Escherichia coli, de Saccharomyces cerevisae et d’Homo sapiens (Seddon et al., Bba- Biomembranes, 2004). Malgré leur prépondérance écrasante dans la cellule, les MPs représentent moins de 1% des structures protéiques déposées dans la Banque de données sur les protéines. La détermination de la structure des protéines membranaires a été entravée par des difficultés à obtenir des quantités suffisantes de protéines en raison de leur faible abondance et de leur amphiphilicité inhérente, et des difficultés subséquentes de cristallisation. Dans notre groupe, nous avons développé des plates-formes microfluidiques transparentes aux rayons X pour la cristallisation en surfo et en méso MP. De plus, nos recherches comprennent des plates-formes transparentes aux rayons X qui permettent d’étudier les diagrammes de phases cubiques lipidiques et le criblage de matrice de microseed, deux techniques de cristallisation puissantes mais généralement inaccessibles pour les protéines membranaires. L’objectif global de notre recherche est de cristalliser de gros cristaux bien ordonnés (« qualité de diffraction ») pour l’analyse aux rayons X et l’élucidation de la structure. Nous avons cristallisé plusieurs cibles et résolu leurs structures en utilisant des données collectées uniquement sur chip Les efforts actuels sont axés sur la cristallisation des protéines membranaires respiratoires en collaboration avec le Prof. Robert Gennis, Département de biochimie.

2b. Criblage sous forme solide des produits pharmaceutiques candidats:

Au cours des premières étapes de la découverte de médicaments pharmaceutiques, les scientifiques recherchent des formes solides d’ingrédients pharmaceutiques actifs (IPA) qui possèdent des propriétés physiques et chimiques appropriées (solubilité, biodisponibilité, stabilité) qui peuvent ensuite passer par le pipeline de développement de médicaments. Malheureusement, le succès dans la recherche d’une forme solide cristalline d’une API aux propriétés optimisées à l’aide de procédures de criblage conventionnelles (plaques de puits) est limité par la faible quantité d’API disponible au cours des premières étapes de la découverte du médicament. Pour résoudre ce problème, nous avons développé des plates-formes microfluidiques pour le criblage des formes solides pharmaceutiques dans le but (i) de réduire la quantité d’ingrédients pharmaceutiques actifs (API) nécessaires au criblage des formes solides, (ii) d’accroître la compatibilité entre la plate-forme de criblage des formes solides et les instruments d’analyse, et (iii) de déterminer si une approche microfluidique du criblage des formes solides permet d’élucider de nouvelles formes solides. Nous avons validé des plateformes microfluidiques basées sur la diffusion d’interface libre (Thorson et al., LOC, 2011) et l’évaporation contrôlée (Goyal et al., LOC, 2013) qui réduisent la quantité d’API nécessaire par condition de criblage de forme solide d’un ordre de grandeur (de 5 mg à 5 µg pour chaque condition), avec des résultats comparables aux expériences traditionnelles de criblage de forme solide par évaporation. La réduction de la quantité d’échantillons permet aux scientifiques d’effectuer des criblages de formes solides plus tôt dans le processus de découverte de médicaments lorsque des quantités minimales d’API sont disponibles, et permet un criblage plus étendu permettant la découverte de nouvelles formes solides. Nous avons conçu les plates-formes microfluidiques pour qu’elles soient optiquement transparentes permettant une identification facile des solides cristallins et pour montrer un signal minimal en spectroscopie Raman et en diffraction des rayons X permettant l’identification sur puce des formes solides (Goyal et al., Cris. Croissance & Des., 2012). Actuellement, nous poursuivons des recherches pour résoudre des structures cristallines de cocristaux inconnus en utilisant notre plate-forme microfluidique pour faire croître des cristaux de qualité de diffraction. Ce travail est réalisé en collaboration avec AbbVie.

(3) Plates-formes microfluidiques pour les études cellulaires

Les plates-formes microfluidiques fournissent plusieurs caractéristiques qui facilitent mieux l’étude des processus cellulaires et inter-cellulaires par rapport aux techniques traditionnelles à base de boîtes de pétri ou de plaques de puits. Les exemples incluent la capacité d’étudier des cellules uniques dans des environnements hautement contrôlés, un contrôle supérieur du microenvironnement cellulaire dans l’espace et le temps et une intégration pratique avec différents types de microscopie. Dans notre groupe, nous développons des plates-formes microfluidiques pour les applications suivantes :

3a. Test de sensibilité aux antibiotiques:

Le traitement efficace des infections cliniques dépend de manière critique de la capacité de dépister rapidement les échantillons des patients afin d’identifier la sensibilité des agents pathogènes infectieux aux antibiotiques. Les méthodes existantes de test de sensibilité aux antibiotiques (AST) souffrent de plusieurs problèmes, notamment de longs délais d’exécution (jours), une consommation excessive d’échantillons et de réactifs, une sensibilité de détection médiocre et des capacités combinatoires limitées. Ces facteurs empêchent l’administration rapide d’antibiotiques appropriés, compliquant la prise en charge des infections et exacerbant le développement de la résistance aux antibiotiques.

Pour résoudre ces problèmes, nous développons des plates-formes microfluidiques pour AST qui offrent plusieurs avantages par rapport aux méthodes conventionnelles, notamment une sensibilité de détection plus élevée, des résultats rapides (< 6 heures), une consommation réduite de réactifs et des résultats plus quantitatifs. Par exemple, en collaboration avec le Prof. Schroeder nous avons utilisé nos plates-formes microfluidiques pour étudier la susceptibilité de diverses bactéries pathogènes, telles que E. coli, P. aeruginosa et K. pneumoniae, contre différents antibiotiques (Mohan et al. Biosens. & Bioélectronique., 2013). Nous avons également utilisé la plateforme pour étudier l’interaction entre différentes espèces de bactéries (cultures polymicrobiennes) et l’effet de ces interactions sur la sensibilité aux antibiotiques. Actuellement, nous appliquons la plate-forme microfluidique en conjonction avec l’utilisation des données expérimentales résultantes pour la modélisation pharmacocinétique-pharmacodynamique (PK / PD) afin de fournir de meilleures informations sur la meilleure façon de traiter une infection donnée.

3b. Étudier les cellules dans des conditions d’oxygène contrôlées:

Au fur et à mesure que les tumeurs se développent vers l’extérieur, loin de l’architecture vasculaire locale, des régions hypoxiques variables (oxygénation des tissus sub-physiologiques) se produisent dans toute la masse solide. Ces régions hypoxiques ont été associées à une résistance thérapeutique, à une reprogrammation métabolique et à la transition épithéliale-mésenchymateuse. De nombreuses questions demeurent concernant les effets de l’hypoxie sur ces résultats, mais seules quelques méthodes permettent à la fois un contrôle précis de la concentration en oxygène et une imagerie en temps réel du comportement cellulaire. Les plates-formes microfluidiques sont particulièrement bien adaptées pour contrôler la concentration en oxygène tout en permettant une imagerie en temps réel grâce à leur contrôle des conditions chimiques temporelles et spatiales. En plus du contrôle du microenvironnement local, l’échelle de longueur réduite dans les plates-formes microfluidiques par rapport aux méthodes conventionnelles permet des temps d’équilibrage plus courts. En utilisant les avantages des plates-formes microfluidiques, nous avons développé un dispositif en réseau capable de contrôler la concentration en oxygène de 0,5% à 21%. En collaboration avec le professeur Rex Gaskins (Département des Sciences Animales), nous utilisons ces plateformes pour étudier en temps réel les changements du potentiel redox organellaire dans les cellules cancéreuses sous hypoxie.

(4) Synthèse chimique dans des microréacteurs

Les microréacteurs offrent plusieurs avantages pour l’étude et l’exécution réelle de la synthèse chimique par rapport aux approches traditionnelles en laboratoire humide. Par exemple, des plates-formes plus petites et conçues avec précision offrent un transfert de chaleur et de masse amélioré, une consommation réduite de réactifs et sont plus faciles à automatiser. Dans notre groupe, nous développons des microréacteurs pour les applications suivantes:

4a. Synthèse de produits radiopharmaceutiques:

Les radiopharmaceutiques sont une classe de médicaments utilisés dans le diagnostic et le traitement de plusieurs maladies et troubles, y compris certains types de cancer et de maladies cardiaques. Les quantités de précurseurs pour la synthèse de ces médicaments sont généralement faibles (quelques microlitres) en raison de la disponibilité limitée, des coûts élevés et des limites supérieures de la quantité de radioactivité pouvant être manipulée en toute sécurité. L’incapacité des méthodes classiques de « laboratoire humide » à manipuler efficacement de faibles volumes de réactifs conduit non seulement à la synthèse de médicaments de mauvaise qualité pour des applications cliniques, mais entrave également le développement de nouveaux médicaments. Nous essayons de répondre à ces problèmes en développant des technologies microfluidiques, ou mieux des microréacteurs, pour la synthèse de ces produits radiopharmaceutiques. En intégrant différents modules microfluidiques, nous envisageons que ces composés peuvent être fabriqués de manière beaucoup plus fiable et avec un rendement plus élevé.

Nous avons montré que les technologies microfluidiques offrent plusieurs avantages pour chaque étape par rapport aux méthodes conventionnelles, notamment des rendements de réaction améliorés, une consommation réduite de réactifs et une facilité d’automatisation (Goyal et al., Sens. & Loi. B, 2014; Hairong et coll., LOC, 2014; Hairong et coll., Bioconj. Chem., 2014; Zeng et coll., Nuc. Med. & Bio., 2013; Wheeler et coll., LOC, 2010). Actuellement, nous optimisons davantage les microréacteurs et développons un système intégré à usage clinique et de recherche. Ce projet est en collaboration avec le Prof. Le groupe de recherche de David Reichert au département de chimie radiologique de l’Université de Washington, St. Louis.

4b. Microréacteurs pour la synthèse de points quantiques:

Les nanoparticules de semi-conducteurs fluorescentes sont prometteuses dans la technologie d’éclairage et d’affichage à semi-conducteurs en raison d’une photoluminescence nettement plus élevée et d’un meilleur comportement spectral que la technologie de phosphore conventionnelle. Ces nanoparticules ont également des utilisations potentielles en imagerie médicale et en informatique quantique. Des coûts de production élevés dus en partie à un manque de méthodes fiables pour la production de nanoparticules monodispersées de haute qualité inhibent actuellement considérablement leur utilisation généralisée. Les méthodes classiques de synthèse par lots souffrent en particulier de la variation de la qualité des nanomatériaux d’un lot à l’autre. Les synthèses par lots, en raison de la lenteur du transfert de chaleur et de masse, n’ont pas la capacité de contrôler avec précision la taille, la morphologie et la composition des nanoparticules. Les réacteurs à flux continu offrent une solution potentielle à ces problèmes. Les efforts du groupe Kenis sont axés sur le développement de réacteurs continus à haut débit offrant des temps de mélange et de chauffage rapides à des températures élevées pour synthétiser des nanoparticules semi-conductrices de haute qualité de composition et de morphologie variables. Par exemple, nous avons réussi à synthétiser des nanorodes en utilisant l’un de nos réacteurs à flux continu (voir figure). Nous étudions à la fois des systèmes contenant des Cd et des systèmes sans Cd, atteignant des rendements quantiques allant jusqu’à 60%, ce qui est comparable aux produits commerciaux.

(5) Technologies de fabrication pour la microfluidique

Dans notre groupe de recherche, nous explorons diverses technologies de fabrication pour faire progresser le développement de dispositifs microfluidiques. L’objectif dans ce domaine est de faciliter l’intégration de la microfluidique aux applications finales. Actuellement, nous poursuivons des recherches dans deux directions:

5a. Composants microfluidiques pour améliorer la portabilité et l’évolutivité des appareils:

L’avènement de la microfluidique à très grande échelle (VLSI) a permis d’exécuter des applications à plusieurs étapes et à haut débit avec des opérations massivement parallèles sur une seule puce. La clé de ces progrès a été le développement de microvannes pneumatiques, qui sont fabriquées avec des techniques de lithographie douce. Malgré l’intégration réussie de telles microvannes pneumatiques dans des puces microfluidiques pour diverses applications, ces microvannes nécessitent des auxiliaires encombrants, ce qui limite l’évolutivité et la portabilité de ces puces microfluidiques. Nous abordons ces problèmes de deux manières:

Utilisation d’une architecture de vanne normalement fermée (NC) architecture de vanne: Les dispositifs utilisant des vannes classiques normalement ouvertes (NO) ont une portabilité limitée dans les applications nécessitant un état de fermeture continu pour le fonctionnement, car ces vannes nécessitent des auxiliaires encombrants (pompes, bouteilles d’azote, périphériques pneumatiques) pour l’actionnement. Les vannes NC répondent non seulement à la limitation de portabilité restreinte ci-dessus, mais conservent également la facilité de fabrication et d’intégration dans les dispositifs microfluidiques. Pour permettre l’intégration des vannes CN, nous avons utilisé une combinaison de modélisation analytique et informatique et d’expériences systématiques pour formuler des règles de conception permettant de développer des vannes NC optimales dans le but de minimiser les pressions d’actionnement et de faciliter la fabrication de ces vannes (Mohan et al., Sens. & Loi. B, 2011). La figure montre la pression d’actionnement nécessaire en fonction de la largeur du canal de fluide pour différentes formes de microvannes (droites, en v et diagonales). Nous avons utilisé ces valves pour diverses applications, telles que la détection de virus par interactions protéine-anticorps, la cristallisation des protéines, le criblage des formes solides et l’exploration d’autres applications (Schudel et al., LOC, 2011; Thorson et coll., CrystEngComm, 2012; Guha et coll., Sens, & Loi. B, 2012; Mohan et coll., Biosens. & Bioélectronique., 2013; Tice et coll., JMEMS, 2013).

Utilisation de microvannes électrostatiques pour remplacer ou compléter des microvannes pneumatiques: Nos microvannes basées sur l’actionnement électrostatique conservent le faible encombrement (1), pour des épaisseurs de membrane ™ de 5 µm. L’espace des paramètres de conception est estimé pour la présence d’air (plus sombre), d’huile (hachurée) ou d’eau (plus claire) dans le canal fluidique. Une autre application intéressante que nous explorons est l’utilisation de microvannes électrostatiques pour contrôler les microvannes pneumatiques. Cette combinaison de microvannes pneumatiques et électrostatiques simplifiera grandement les auxiliaires et aidera à atteindre l’objectif de « lab-in-a-chip » plutôt que de « chip-in-a-lab ».

5b. Nouveaux matériaux et procédés de fabrication:

Le poly (diméthylsiloxane) ou PDMS a été le matériau préféré pour la fabrication de dispositifs microfluidiques, principalement parce que l’utilisation du PDMS permet une fabrication simple, rapide et peu coûteuse de dispositifs à divers degrés de complexité. Cependant, le PDMS souffre de plusieurs limitations, dont une clé est l’incompatibilité avec un large éventail de solvants organiques et de techniques analytiques. Dans notre groupe de recherche, nous explorons une variété de matériaux polymères comme alternative aux PDMS pour fabriquer des dispositifs microfluidiques; certains de ces matériaux sont le thiolène, le copolymère cyclique-oléfine et le téflon. Nous avons utilisé ces matériaux pour développer des dispositifs microfluidiques compatibles avec une gamme de solvants organiques et de techniques analytiques, telles que les rayons X et le Raman. Nous montrons également que les dispositifs hybrides, qui combinent les avantages de différents matériaux, sont des alternatives supérieures aux dispositifs comprenant un ou deux matériaux.

(6) Projets « bio » microfluidiques émergents

6a. Plates-formes microfluidiques pour la spectroscopie IRTF à résolution temporelle:

Notre objectif global est de développer une technologie microfluidique innovante pour la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier résolue en temps (FT-IR) des réactions ou interactions biomoléculaires. Le repliement des protéines, la catalyse enzymatique et les interactions protéine-ligand sont essentiels au maintien de cellules et de tissus sains. La racine de nombreuses maladies chroniques ou génétiques remonte au dysfonctionnement de telles réactions dans les protéines – par exemple, la formation de plaques par un peptide bêta-amyloïde mal replié dans la maladie d’Alzheimer.

Les recherches visant à révéler les mécanismes de réaction au niveau moléculaire et intermoléculaire sont essentielles au développement de nouvelles thérapeutiques à partir de la conception rationnelle des médicaments ainsi qu’à leurs tests – par exemple, les voies de repliement de la bêta-amyloïde peuvent révéler des cibles sur lesquelles des médicaments candidats contre la formation de plaque peuvent être testés et optimisés. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) offre plusieurs avantages par rapport aux autres techniques de spectroscopie, notamment la non-exigence de marquage extrinsèque, la préparation simple des échantillons et l’acquisition facile d’une gamme d’informations (détails moléculaires à haute résolution aux interactions protéine-protéine à basse résolution).

Cependant, plusieurs limitations avec les cellules de flux IRTF actuelles, y compris une faible résolution temporelle, un coût et une exigence de grands volumes d’échantillons, ont empêché l’utilisation à grande échelle de la IRTF. Nous abordons ces problèmes en développant des cellules à flux FITR microfluidiques à partir de matériaux transparents IR à faible coût. Les résultats préliminaires avec l’ubiquitine ont validé notre approche et nous optimisons la cellule de flux pour mener des expériences avec des protéines cliniquement pertinentes. Ce projet est en collaboration avec le Professeur Rohit Bhargava au Département de Bioingénierie.

6b. Technologies microfluidiques pour améliorer le processus de transplantation d’îlots:

Le diabète est une maladie dévastatrice qui touche 25,8 millions d’Américains (8% de la population). La transplantation d’îlots humains est une thérapie prometteuse pour le diabète sucré de type I (TIDM). Cette procédure, cependant, n’est pas très reproductible et cohérente. Pour améliorer les résultats de la transplantation d’îlots, plusieurs problèmes cliniques, biologiques et techniques doivent être abordés. Dans notre groupe de recherche, nous développons des technologies microfluidiques pour résoudre certains de ces problèmes, notamment le maintien de conditions optimales lors de l’isolement des îlots du pancréas du donneur, l’automatisation du processus d’isolement et de séparation des îlots et la préservation de la viabilité et de la fonctionnalité des îlots pendant le processus de transplantation. Ce projet est en collaboration avec le groupe de recherche du Professeur Jose Oberholzer dans la Division de Chirurgie de transplantation de l’Université de l’Illinois à Chicago.

6c. Plate-forme microfluidique pour les études EPR freeze-quench:

La plupart des phénomènes intéressants dans de nombreuses réactions biochimiques se produisent au cours des premières millisecondes des réactions, par exemple la synthèse d’ATP médiée par le complexe cytochrome bc1. Les études structurelles et fonctionnelles de ces produits intermédiaires à un stade précoce permettront non seulement d’élucider le mécanisme de ces réactions, mais aussi de concevoir rationnellement des médicaments pour traiter les maladies et les troubles associés au dysfonctionnement de ces réactions. La résonance paramagnétique électronique (RPE) Freeze-quench est une technique puissante pour étudier ces réactions, où les produits intermédiaires de ces réactions sont rapidement gelés pour éviter d’autres réactions et analysés ultérieurement à l’aide de la RPE. Cependant, les limitations de l’appareil actuel pour l’EPR freeze-quench, principalement le mélange lent des réactifs, ont empêché l’application de cette technique pour étudier des réactions biochimiques ultra-rapides. Dans notre groupe de recherche, nous développons un dispositif microfluidique pour le mélange rapide des réactifs (~ 20 µs) et l’éjection ultérieure des réactifs mélangés sous la forme d’un jet ultra-mince sur un ensemble de roues en cuivre congelé. Nous avons validé cette approche avec un modèle de réaction biochimique et explorons l’application de réactions biochimiques cliniquement pertinentes. Ce projet est en collaboration avec le Professeur Tony Crofts du Département de biochimie.

6d. Détermination des interactions médicamenteuses-cibles:

Toute la biologie, et par extension toute la pharmacologie, dépend de l’interaction des protéines avec d’autres molécules. La résonance paramagnétique électronique (RPE) combinée au marquage de spin (SLEPR) peut être utilisée pour détecter de telles interactions en temps réel, in vitro ou in vivo, et pour suivre le rapport des protéines liées aux protéines non liées, avec une perturbation minimale de la biologie. Cela en fait un outil idéal pour étudier directement les effets des agents pharmaceutiques sur leur cible biologique et sur les systèmes biochimiques connexes, améliorant ainsi la précision des prédictions de développement au stade précoce de l’efficacité et de la toxicité des candidats médicaments. Cependant, les méthodes actuelles de laboratoire humide pour la préparation des petits échantillons requis par les spectromètres EPR ont tendance à être inutiles, imprécises et lentes (24 heures ou plus). Dans notre groupe, nous développons des dispositifs de marquage rapide et précis des protéines, tirant pleinement parti de la nature combinatoire des puces microfluidiques pour créer une série d’échantillons à des concentrations multiples ou avec une variété de partenaires, et incorporant une culture cellulaire sur puce si nécessaire. Ce projet est en collaboration avec New Liberty Proteomics.