Optical Microcavities for Real-Time Detection of Bacteria

Au cours de la dernière décennie, les microcavités à mode de galerie ont fait le sujet de plusieurs études où elles sont utilisées comme biosenseurs sans marquage. Leur capacité à confiner la lumière pendant un certain temps leur confère des facteurs de qualité élevés, donc une très bonne sensibilité face aux molécules qui s'attachent à leur surface. Ce projet de doctorat s'intéresse aux microdisques optiques pour la détection de bactéries, plus spécifiquement la bactérie Staphylococcus aureus (S. aureus). À notre connaissance, c'est la première fois que des bactéries sont détectées spécifiquement avec des microdisques optiques. Afin d'obtenir un biosenseur fiable et efficace, il est important qu'il présente une grande sélectivité face aux bactéries d'intérêt. Pour réaliser cette bonne sélectivité, la surface des microcavités doit être proprement fonctionnalisée. La fonctionnalisation consiste à choisir les anticorps qui sont spécifiques aux antigènes qui seront détectés. Dans ce cas, le choix des bactériophages spécifiques à la détection de la bactérie S. aureus a été fait après plusieurs séries d'expériences avec différents bactériophages. Puisque les étapes de préparation et de purification des bactériophages peuvent être longues et compliquées, l'isolation de protéines spécifiques des bactériophages s'est avérée plus appropriée. Le procédé de fonctionnalisation utilisé dans ce projet a été développé en collaboration avec le groupe de la professeure Jay L. Nadeau du département de génie biomédical à McGill. Des phages protéines LysK vont attacher les bactéries S. aureus lors des expriences de détection en temps réel. Plusieurs expériences ont été réalisées en utilisant la bactérie E. coli afin de démontrer la spécificité du procédé de fonctionnalisation utilisé. Comme prévu, la LysK était spécifique à la S. aureus et n'a pas attaché de bactéries E. coli. L'attachement des bactéries sur la surface du résonateur est observé grâce au déplacement des pics de résonance vers les plus longues longueurs d'onde, un mécanisme connu sous le nom de principe réactif de détection (reactive sensing principle). Ce déplacement permet d'en apprendre davantage sur le lien qui se forme entre les protéines et les bactéries. Pour une concentration de bactéries 5.109 cfu/ml, un déplacement de 0.22 nm a été observé. En diminuant cette concentration, le déplacement lui aussi décroît, car moins de bactéries s'attachent aux sites sensibles du microdisque. Une formulation théorique de ce principe, utilisant l'expression approximative du champ électrique dans un microdisque, a également été développée pour la première fois dans cette thèse afin de relier le déplacement de résonance avec le nombre de bactéries qui s'attachent à la surface ainsi que la cinétique de la liaison entre les bactéries et les protéines.

Abstract

Researchers showed a lot of interest in studying whispering gallery microcavities as a tool for biosensing in the last decade. Optical microcavities are structures that confine light at the microscale due to total internal reflection of light at the interface between the cavity and its surrounding medium. If a molecule binds to the surface of the microcavity, light can interact with it several times, making optical microcavities very sensitive tools for label-free sensing. During this Ph.D. project, optical microdisks are used to detect the presence of Staphylococcus aureus (S. aureus) bacteria. To our knowledge, this is the first time optical microdisks are used to specifically detect bacteria. In order to have a reliable and efficient biosensor, it needs to be highly specific. Specificity is achieved by choosing an appropriate functionalization process. The functionalization process uses the antibody that is specific to the antigen of interest. In this case, the choice of a specific bacteriophage to bind S. aureus bacteria is crucial to obtain a specific sensor, and many experiences were done in order to identify the most appropriate. However, the purification of bacteriophages can be long and complex. An alternative to working with whole bacteriophages is the use of purified protein phages that can be easier to prepare. The functionalization process used in this thesis was developed in collaboration with professor Jay L. Nadeau's group from the biomedical engineering department at McGill university. LysK protein phage is added to the microdisk and will attach S. aureus bacteria during the real-time detection experiments. In order to demonstrate the specificity of the functionalization process, LysK was used with E. coli bacteria. As predicted, since LysK is only specific to S. aureus strains, it did not attach any E. coli. The binding of bacteria to the microdisk surface is observed through the reactive sensing mechanism. When bacteria bind to the surface of the resonator, it increases the optical path length and changes the refractive index, which leads to a shift of the resonance peaks towards longer wavelengths. This shift can give practical information about the kinetics of the binding between the bacteria and the protein. For a concentration of 5.109 cfu/ml, a shift of 0.22 nm was observed. When the concentration was decreased, the value of the shift also decreased, meaning less bacteria bind to the surface of the resonator. Using the approximate expression of the electric field inside a microdisk, a theoretical formulation of the wavelength shift was developed for the first time. It helped give an approximation of the number of bacteria that attach to the surface. For the 0.22 nm shift, around 46 bacteria bound to the sensitive area of the microdisk and contributed to the shift. It takes about 15 minutes to attach a maximum number of bacteria.