Soutenance de thèse de Vivek Pratap HITAISHI

L’immobilisation fonctionnelle des enzymes redox sur un support solide conducteur, en termes de densités de courant catalytique et de stabilité, est l’un des défis les plus importants à relever avant la commercialisation de systèmes tels que les piles à combustible enzymatiques et les biocapteurs. Cette thèse vise à la compréhension des facteurs moléculaires qui contrôlent le processus de transfert d'électrons interfacial et l'efficacité catalytique des enzymes redox immobilisées, en considérant l'effet de la quantité, de l'orientation et de la conformation des biomolécules à l’interface électrochimique. L'objectif ultime est d'obtenir une rationalisation des bioélectrodes. Des enzymes redox d’origine et de propriétés différentes et des surfaces d’électrodes de chimie et structuration variées sont explorées pour moduler la connexion électrique de l’enzyme, et donc le processus de transfert d'électrons. Les propriétés requises de surface de l'électrode en tant que matrice hôte pour les enzymes sont tout d’abord déterminées sur électrodes planes puis étendues à des électrodes nanostructurées. Afin de déduire un modèle d'adsorption, un couplage sans précédent de l'électrochimie à des techniques de surface telles que la résonance plasmonique de surface (SPR), la spectroscopie d'absorption par réflectance infrarouge à modulation de polarisation (PMIRRAS) et l'ellipsométrie. Il est démontré que les interactions électrostatiques contrôlent le processus d’immobilisation d’une bilirubine oxydase fongique, et la dynamique de la protéine est mise en évidence en cas de modifications électrostatiques locales. Ce modèle est ensuite validé en utilisant un autre type de multicopper oxydase pour la réduction catalytique de l’oxygène, une laccase. L’étude de cette dernière sur des nanostructures de carbone présentant différentes charges de surface révèle une activité « cuprous-oxydase », qui est analyse au regard de l’activité biologique de cette protéine. Enfin, de nouvelles électrodes nanostructurées obtenues par ablation au laser sont explorées comme de nouvelles plates-formes stables capables de contrôler le taux de recouvrement surfacique enzymatique, ouvrant la voie à l'électrochimie d'une molécule unique.

Functional immobilization of redox enzymes on conductive solid support, which must result in high catalytic current densities and operation stabilities, is one of the most significant challenge before the commercialization of biodevices like enzymatic fuel cells and biosensors. This thesis aims at the molecular understanding of the factors that control the interfacial electron transfer process and the efficiency of immobilized redox enzymes while considering the effect of loading, orientation and conformation of the biomolecules. The ultimate goal is to get a full rationalization of bioelectrodes. Varieties of combinations that include origin and properties of redox enzymes and/or chemistry or structuration of electrode surfaces are explored to tune the electrical wiring and thereby the electron transfer process. The desired properties of the electrode surface as a host matrix for enzymes are put forward while comparing the merit of planar and nanostructured electrodes. In order to deduce an adsorption model, an unprecedented coupling of electrochemistry to surface sensitive techniques like surface plasmon resonance (SPR), Polarization Modulation Infrared Reflectance Absorption Spectroscopy (PMIRRAS) and ellipsometry is set. Electrostatic interactions are demonstrated to control the immobilization process of one fungal bilirubin oxidase, and dynamic of the protein is highlighted in case of local electrostatic changes. This model is further validated using another type of multicopper oxidase for O2 catalytic reduction, a laccase. The study of this latter on carbon nanostructures with different surface charges, reveals a cuprous oxidase activity which is studied in depth. Finally, new nanostructured electrodes obtained by Laser ablation, are considered as new stable platforms able to fully control the enzyme coverage, and open the way toward single molecule electrochemistry.