Bacterial Cellulose Supported Sensor for Bacteria and Gas Detection Development

Les intoxications dues à la consommation de produits alimentaires contaminés ont conduit à de nombreuses hospitalisations voire de nombreux décès mais ont également contribué à un énorme fardeau économique pour l'industrie alimentaire suite aux nombreux rappels et mise au rebus. Les méthodes traditionnelles (telles que les cultures microbiennes et croissances bactériennes) pour détecter les pathogènes sont relativement coûteuses et prennent beaucoup de temps et d'expertise à développer. De ce fait, il est devenu impératif de développer des approches de détection rapides et efficaces pour identifier la présence de bactérie(s) dans les aliments afin d'endiguer d'éventuelles épidémies rapidement. Le développement d'emballages alimentaires intelligents a considérablement évoluée récemment et génère de plus en plus d'intérêt afin de satisfaire les exigences des consommateurs et de l'industrie alimentaire, notamment dans tout ce qui a trait aux techniques de détection précoce de la présence de pathogènes et de bactéries. L'émergence de matériaux nanostructurés a eu un impact considérable sur les techniques de détections précises et rapides d'une molécule unique. De plus, la taille et les propriétés spécifiques des nanoparticules, nanofibres et autres en font des outils prometteurs pour améliorer les tests de détection dans de nombreux domaines tels que la médecine, l'environnement et bien sur, le secteur de l'alimentation. Des appareils miniaturisés, connus sous le nom de biosenseurs, facilitent la détection in situ de pathogènes alimentaires, ce qui donne à l'industrie de l'emballage un atout considérable pour la détection de ces bactéries. Ce travail de recherche se concentre sur le développement de senseurs basés sur des techniques de détections optiques (telles que colorimétrique et fluorescence) pour la détection de bactéries de façon directe via une cellule de détection ou de façon indirecte par la détection de ses sous produits, le tout pour des applications dans le domaine de l'alimentaire. Les senseurs optiques suggérés ont été intégrés à la surface d'une plateforme solide afin de l'adapter à la demande et aux exigences de l'industrie de l'emballage alimentaire. Ici, de la cellulose bactérienne ayant des propriétés remarquables comme une structure en nanofibrilles, une transparence optique, de bonnes propriétés mécaniques et une disponibilité des groupements fonctionnels a été considérée comme plateforme pour assurer la synthèse de nanoparticule et l'immobilisation de biomolécules.

La première partie de ce travail se concentre sur la détection de composés organiques volatils qui peuvent être générés suite à la croissance bactérienne. La méthode proposée consiste en l'utilisation de nanoparticules d'argent, dont les propriétés plasmoniques permettent une détection colorimétrique. Les nanoparticules d'argent sont donc synthétisées dans de la cellulose bactérienne via une procédure in situ qui résulte en la fabrication d'un nano-papier plasmonique dont les propriétés peuvent être hautement modulable uniquement par la modification de la distance entre les particules et/ou de leur taille. Les résultats ont démontré que les nanoparticules plasmoniques ainsi préparées sont très sensibles à des concentrations variées de vapeur d'ammoniaque. La détection précise de l'ammoniaque a été mesurée par absorbance UV-visible qui est associée aux propriétés plasmoniques des nanoparticules d'argent. Une réduction de l'intensité du pic plasmonique de l'argent a été observée lors de l'augmentation de la concentration en ammoniaque et de la durée d'exposition à ses vapeurs. Comme l'ammoniaque est un produit indicateur de contamination bactérienne dans la viande et le poisson, la plate-forme proposée permet la détection et le suivi de la contamination. Il a également été découvert que la taille des nanoparticules d'argent au sein de la cellulose bactérienne subit une réduction due à l'exposition à l'ammoniaque. Suite à ce phénomène, le nano-papier montre un changement de couleur, respectivement d'ambre foncé à ambre clair, au cours de l'interaction avec la vapeur d'ammoniaque, ou de gris à taupe en la présence de poisson ou de viande contaminée (dégageant de l'ammoniaque). Ces résultats prometteurs ouvrent toute une fenêtre d'opportunités pour le développement d'une technique de détection de contamination de la viande et du poisson par l'intermédiaire d'emballages intelligents. Dans la seconde partie de ce travail, nous avons développé un biosenseur pour la détection de bactéries grâce à la méthode basée sur le principe de fluorescence. Ce biosenseur a été développé en utilisant la technique de transfert d'énergie entre molécules fluorescentes (FRET) reposant sur le principe de Förster, une approche de transfert d'énergie non radiative entre un fuorophore photoexcité et une molécule dite accepteur et qui dépend fortement de la distance entre ces molécules. Parmi plusieurs paires de donneur-accepteur, le quantum dot nano-cristal et les nanoparticules d'or sont reconnus comme étant les plus efficaces dans la technique FRET. Au cours de la deuxième partie de ce travail de recherche, le développement d'un biosenseur pour la détection de bactéries a été étudié. Pour développer un biosenseur prometteur, une plate-forme sur une surface solide a été considérée avec les paramètres appropriés pour supporter la bio-reconnaissance des éléments. Il est apparu que la cellulose bactérienne imprégnée avec des nanoparticules d'or permet d'arriver à un système intéressant, soit d'obtenir des propriétés plasmoniques pour l'or et d'abondants groupes fonctionnels pour la cellulose bactérienne. Les résultats ont montré que la plate-forme peut ainsi absorber l'énergie de transfert d'un matériau fluorescent photo-excité, causant une réduction de leur photoluminescence. Cependant, la haute densité des nanoparticules d'or qui génère une capacité de réduction forte, si réduite, entrainera une réduction de cette capacité. Le nano-papier synthétisé présente une surface solide novatrice avec des capacités de désactivation qui peuvent être utilisées en détection par fluorescence comme le FRET. Dans la dernière partie de ce travail, un biosenseur pour la détection bactérienne a été développé basé sur les résultats obtenus au cours de la seconde partie de ce travail. Ce biosenseur a été développé en utilisant l'approche FRET. La cellulose bactérienne carboxylée mélangée avec des nanoparticules d'or sert d'accepteur et en même temps permet la liaison croisée avec l'élément de bio-reconnaissance de la plate-forme solide. Un point quantique (Quantum dot, QD) conjugué à l'anti E. coli joue le rôle de donneur qui se lie à la protéine A/G immobilisée à la surface de la cellulose bactérienne carboxylée. La photo-luminescence du QD génère une réaction de réduction une fois que l'anti E. coli conjugué avec le QD interagit avec la bactérie respective (E. coli). De ce fait, la distance entre le QD et la surface de l'accepteur est réduite, ce qui a pour conséquence le changement de conformation inhérent dans la structure de l'anticorps. Grâce à cette stratégie, E. coli a été détectée à la limite de la LOD près (Limite de Détection-Limit of Detection) qui se situe autour de 10 CFM.mL-1. Cet immuno-senseur identifie la bactérie directement sans autre traitement supplémentaire. Compte tenu de sa simplicité et de sa sélectivité, ce senseur a le potentiel d'être implanté en tant capteur dans un emballage alimentaire. Finalement, les résultats de ce projet de recherche sont multidisciplinaires et peuvent influencer plusieurs domaines de la science : 1) le secteur environnemental grâce à l'introduction d'une nouvelle génération d'emballages intelligents qui permettraient la reconnaissance précoce des pathogènes et des bactéries permettant de prévenir les infections; 2) la technologie des biosenseurs, en introduisant le nano-papier comme une plate-forme sensible et versatile pour la détection de vapeur; et 3) la simulation des propriétés intrinsèques d'un anticorps pour une détection directe d'antigènes.