Gold nanoparticle modelisation for autobiotherapy : a study of the morphology-stability relation
Modélisation de nanoparticules d'or fonctionnalisées pour l'antibiothérapie : étude des relations morphologie stabilité
Résumé
The overuse of antibiotics since the mastering of their extraction and synthesis has led to the appearance of antibiotics-resistant strains of bacteria. The fight against antibiotic resistance has become a major public health issue in recent years. In this context, nano-antibiotics composed of gold nanoparticles with antibiotics grafted on their surface often exhibit outstanding properties, sometimes even bypassing bacterial resistance mechanisms. Among these nanoantibiotics, gold nanoparticles/ampicillin hybrid systems (AuNPs@Ampicillin) are very effective. However, despite their very promising antibacterial properties, very little information concerning their atomic-scale structure is reported in the literature. In the first part of this thesis, the structure and energetics of AuNPs@Ampicillin nano-antibiotics have been investigated using first-principles numerical simulations through the study of the ampicillin adsorption on the three low Miller index facets Au(111), Au(100) and Au(110) of the AuNPs as a function of both the antibiotics coverage and its protonation state. Intermolecular interactions were found to be very stabilizing for coverages compatible with experimental data. An optimal coverage zone has been determined, in which the combination of a favorable gold surface-antibiotics interaction and of stabilizing intermolecular interactions can lead to an overall stabilization of the nano-antibiotics. As regards the mechanism of action of the nano-antibiotics, this study has confirmed that the active site of the free antibiotic is exposed to the solvent when the antibiotic is grafted onto the gold nanoparticle. In a second part, the adsorption behavior of small molecules on the three gold surfaces has been investigated. These molecules were chosen because they correspond to the main functional groups found in most of the antibiotics families, namely SCH3, OCH3, and NHCH3. This study was done using a systematic approach, i.e. by studying all possible positions of the functional groups on bare surfaces and in the presence of one or two adatoms on the gold surface. The analysis of the data from these simulations shows that the behavior of SCH3 and OCH3 is very similar, with differences in adsorption energy, charge transfers and bonding angles that differ only by a constant.[...]
La surutilisation des antibiotiques depuis la maîtrise de leur extraction et de leur synthèse a conduit à l'apparition de souches bactériennes résistantes aux antibiotiques connus. La lutte contre la résistance aux antibiotiques est devenue un enjeu majeur de santé publique ces dernières années. Dans ce contexte, les nano-antibiotiques, composés de nanoparticules d'or à la surface desquelles sont greffés des antibiotiques, présentent souvent des propriétés exceptionnelles, allant même jusqu'à contourner les mécanismes de résistance bactérienne. Parmi ces nano-antibiotiques, les systèmes hybrides nanoparticules d'or/ampicilline (AuNPs@Ampicilline) sont très efficaces. Cependant, malgré leurs propriétés antibactériennes très prometteuses, très peu d'informations concernant leur structure à l'échelle atomique sont rapportées dans la littérature. Dans la première partie de cette thèse, la structure et l'énergie des nano-antibiotiques AuNPs@Ampicilline ont été étudiées à l'aide de simulations numériques basées sur les premiers principes. Pour cela, nous avons modélisé l'adsorption de l'ampicilline sur les trois facettes de faible indice de Miller des AuNPs (Au(111), Au(100) et Au(110)) en fonction à la fois du taux de couverture de l'antibiotique et de son état de protonation. Les interactions intermoléculaires se sont révélées très stabilisantes pour des taux de couverture compatibles avec les données expérimentales. Une zone de concentration d'antibiotique optimale a été déterminée, dans laquelle la combinaison d'une interaction favorable surface d'or-antibiotiques et d'interactions intermoléculaires stabilisantes conduit à une stabilisation globale des nano-antibiotiques. En ce qui concerne le mécanisme d'action de ces derniers, cette étude a confirmé que le site actif de l'antibiotique libre est exposé au solvant lorsque l'antibiotique est greffé sur la nanoparticule d'or. Dans une deuxième partie, les modes d'adsorption de petites molécules sur les trois surfaces d'or ont été étudiés. Ces molécules ont été choisies parce qu'elles correspondent aux principaux groupes fonctionnels présents dans la plupart des familles d'antibiotiques, à savoir SCH3, OCH3 et NHCH3. Cette étude a été réalisée de manière systématique, c'est-à-dire en étudiant toutes les positions possibles des groupes fonctionnels sur des surfaces nues et en présence d'un ou deux adatomes sur la surface d'or. L'analyse des données de ces simulations montre que le comportement des SCH3 et OCH3 est très similaire, avec des différences d'énergie d'adsorption, de transfert de charge et d'angles de liaison qui ne diffèrent que par une constante. [...]
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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