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CONTRIBUTION A L’ETUDE DES PROPRIETES TENSIOACTIVES ET MEMBRANAIRES D’ESTERS DERIVES DE LA GLYCINE BETAINE Par NSIMBA ZAKANDA Francis Promoteurs: Dr. DELEU Magali et Prof. MVUMBI LELO Georges 1 Plan 1. Introduction 2. Objectifs 3. Synthèse de chlorures d’alkylbétaïnates 4. Etude de leurs propriétés interfaciales 5. Etude de leurs propriétés membranaires 6. Conclusion générale et perspectives 2 1. Introduction • Industrie de la betterave à sucre ~ 20% de la production mondiale du sucre - Mélasse (7% de Glycine bétaïne, GB) Problèmes environnementaux • Industrie de l’éthanol bioéthanol (UE: 3,7 109 L en 2009) - Vinasse (4% de GB) Problèmes à l’écosystème • Valoriser: mélasse et vinasse Récupérer la GB 3 • GB - Produits cosmétiques, pharmaceutiques et alimentaires; en médecine - Tête hydrophile d’agents tensioactifs • ~ 80% de tensioactifs origine pétrochimique, toxiques et non biodégradables • Besoin important de nouveaux TA non toxiques et biodégradables origine végétale, • Ce travail Valorisation de GB: propriétés physicochimiques et biologiques Fig. 1. Glycine bétaïne 4 Tabl. 1.Quelques dérivés amphiphiles de la GB Noms Alkylbétaïnes Alkylbétaïnates (esters) Structures CH 3 I+ CnH 2n+1-N-CH 2-COO I CH 3 (n= 8, 10,12,14,16) CH3 I+ CH3-N-CH2-COOCnH2n+1 I (n= 2,10,12,14) CH3 Auteurs Iwasaki et al., 1991 ; Li et al., 2005 Lundberg et al., 2004 ; TehraniBagha et al., 2007a 2: non TA N-bétaïnate de chitosan1 Holappa et al., 2004 ; Holapa et al., 2006 ; Mourya et al., 2008 1: non TA Tehrani-Bagha et al., 2007a Dodécyl bétaïnate dimère Amphiphiles bipolaires (bolaamphiphiles) avec une tête de bétaïne Berchel et al., 2008 5 Alkylbétaïnes et alkylbétaïnates (TA): - Stabilité (pH), biodégradation - Activités de surface (tension de surface, cmc, pouvoirs moussant et dispersant) - Activités sur les membranes modèles (PC, stratum corneum…) et réels (bactéries, érythrocytes) Bétaïnate d’amidon: - Activité sur l’humidification et la résistance du papier N-bétaïnate de chitosan: - Activité antimicrobienne Esters dimères TA de la GB: - Activités de surface (tension de surface, cmc) Amphiphiles bipolaires avec une tête de GB: - Etude d’auto-assemblage Choix porté sur les Alkylbétaïnates (esters TA de la GB): - origine végétale, biodégradables, moins toxiques, moins étudiés - Charge positive permanente: Intérêt médical 6 2. Objectifs • Synthétiser les alkylbétaïnates (réactifs plus écologiques que ceux utilisés précédemment) • Etudier leurs propriétés interfaciales (films monomoléculaires à l’interface air-eau) • Etudier leurs propriétés membranaires (interactions avec des modèles de membranes biologiques dans des environnements différents) 7 3. Synthèse de chlorures d’alkylbétaïnates (CnBC) 8 3.1. Activation de la GB et acylation des alcools gras par le chlorure de bétaïnyle O CH3 O I+ II CH3-N-CH2-C + S I O_ Cl Cl CH3 CH2Cl2 60°C 1h GB CH3 _ O I+ Cl CH3-N-CH2-C I O-R CH3 O _ II S + Cl II O CH3 O I+ CH3-N-CH2-C + I Cl CH3 Chlorure de bétaïnyle + 2M2B H-O-R + HCl 45°C 6h R = C10 - C16 Alcool CnBC Schéma 2 9 3.2. Optimisation des conditions de synthèse du chlorure d’hexadecylbétaïnate (C16BC) Cl + (CH3)3N-CH2-COCl + C16H33-OH Cl + (CH3)3N-CH2-COOC16H33 + HCl • Effet du catalyseur/base: Pyridine, DMAP, (CH3)3N et sans catalyseur/base • Effet du rapport molaire Cl- de bétaïnyle/1hexadecanol (5:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 et 1:3) • Effet de la T° (25, 35, 45, 55 et 65°C) • Effet de la concentration des réactifs (16.5; 33; 66; 132 et 264 mmol/L) 10 (a) Basic catalyst Catalyseur / base 40 Pyridine 30 Triethylamine DMAP 20 80 No base Temperature Yield (%) Yield (%) 50 (b) Molar ratio 100 60 60 40 20 10 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 5 I1 3 I1 2 I1 1 I1 1 I2 1 I3 Tim e (h) Betainyl chloride/1-hexadecanol m olar ratio 100 (c)Temperature 100 90 60 Yield (%) Yield (%) 80 40 20 80 (d) Concentration 70 60 Rdt: 94± 3 % 50 0 25 35 45 Tem perature (°C) 55 65 Rapport molaire 40 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Re actant conce ntration (m ol/L) Fig. 2. Optimisation de la synthèse de C16BC - CnBC peuvent être synthétisés à partir de la GB via son dérivé d’acyle et les alcools gras en mileu organique avec un meilleur rendement en absence de catalyseur/base. 11 4. Etude des propriétés interfaciales de CnBC 12 4.1. Propriétés des films monomoléculaires 50 Surface pressure (mN/m) Surface pressure (mN/m) 60 C10BC 50 C12BC (a) 40 C14BC C16BC 30 A0, Ac, πc(a) , 20 10 C16BC Compression 1 40 Expansion 1 Compression 2 30 Expansion 2 (b) 20 10 0 0 0 5 10 15 20 25 Area (A²/molecule) 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Area A²/molecule) Fig. 3. (a) Isotherme de compression de pressure de surface (π)- aire moléculaire (A) de CnBC, (b) Cycles de compression-expansion de C16BC (Sous-phase aqueuse, pH= 5.7, 1.5 mM, 30 µL et 20°C) - CnBC avec n ≥14 peuvent former des films monomoléculaires insolubles à l’interface air-eau à 20°C 13 4.2. Influence des conditions expérimentales (pH, T°, anions et force ionique) sur le comportement interfacial du film de C16BC Surface pressure (mN/m) (a) 50 pH 3 pH 5 40 Water (pH 5.7) A0, Ac 30 pH 7 pH 9 Πc 20 pH 12 10 0 0 5 10 15 20 25 Area (A²/molecule) 30 35 40 Compressibility modulus (mN/m) pH, T = 20°C 60 (b) 500 pH 3 pH 5 400 Water (pH 5,7) pH 7 300 pH 9 pH 12 200 100 Cs-1 0 0 10 20 30 40 50 60 Surface pressure (mN/m) Fig. 4. Isotherme de compression de π–A (a) et Module de compressibilité (b) du film de C16BC déposé sur la sous-phase aqueuse de différentes pH à 20°C 14 Tabl. 2. Occupation de l’interface, pression de collapse et module de compressibilité Temp (°C) pH Acide Basique 3 et 5 9 et 12 Anions Force ionique Na2SO4 15,20,25,30 Cl-, Br-,OH- SO42-, 0.5; 1; 2; 5; 10 , NO3-,ClO4- HPO42- A0 + + + + ++ ++ Πc 0 0 - - + - Cs-1 - + - + - - A0: Occupation de l’interface; Πc: Stabilité du film, Cs-1 : Module de compressibilité ++: augmente fortement, +: augmente faiblement; 0: ne change pas; - : diminue - pH et anions monovalents ont faiblement influencé l’occupation des molécules de C16BC à l’interfacial par rapport aux anions divalents et à la force ionique de Na2SO4 mais la stabilité des films est faiblement 15 influencée dans tous les cas. 4.3. Propriétés d’adsorption (a) 4 5 4 1.15 µM << CMC 3 C10BC C12BC C14BC C16BC 2 1 Surface pressure (mN/m) Surface pressure (mN/m) 6 (b) 3,5 C10BC C12BC C14BC C16BC 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 0 50 100 150 Time (sec) 200 250 300 0 5 10 15 20 25 Time (sec) Fig. 5. (a) Kinetics, (b) Enlargement of the early stage of the adsorption of CnBC at the air-water interface (water, pH 5.7, 1.15 µM, 25°C). - CnBC injectés dans la sous-phase aqueuse sont capables de s’adsorber et former des films monomoléculaires à l’interface air-eau à 25°C 16 4.4. Conclusion - CnBC s’adsorber et former des films à l’interface air-eau à 25°C - CnBC avec n ≥ 14 films insolubles à l’interface air-eau à 20°C - Organisation interfaciale du film de C16BC faiblement influencée par le pH et les anions monovalents; fortement influencée par la température et les anions divalents, en ce qui concerne l’occupation des molécules à l’interface - Stabilité du film faiblement influencée par des conditions différentes de la sous-phase aqueuse. 17 5. Etude des propriétés membranaires de CnBC 18 5.1. Pénétration des CnBC dans les monocouches lipidiques formées à l’interface air-eau • Objectif - Etudier de manière globale la possibilité d’interaction et de pénétration des CnBC dans les membranes biologiques (Monocouches lipidiques) 19 5.1.1. Effet de la longueur de la chaîne alkyle de CnBC Surface pressure increase (mN/m) (Films lipidiques: Πi = 30 mN/m) 30 DPPS 25 DPPA DPPE 20 POPC 15 CHOL 10 5 0 C10BC C12BC C14BC C16BC Fig. 6. Surface pressure increase induced by the penetration of CnBC into lipid monolayers with different polar heads at initial surface pressure of 30 mN/m. (water, pH 5.7, 1.15 µM, 25°C). - CnBC sont capables de pénétrer dans des films lipidiques à 30 mN/m - Pénétration est indépendante de la chaîne alkyle de CnBC dans les films formés de lipides chargés négativement mais dépendante de cette chaîne alkyle dans les films formés de lipides non chargés et zwittérioniques. 20 5.1.2. Cinétique de pénétration de C16BC dans les monocouches lipidiques (a) Πi = 30 mN/m, Sous-phase: eau, pH=5,7 Surface pressure (mN/m) 55 DPPS DPPA DPPE POPC CHOL 50 45 C16BC 40 - Effet de la tête polaire de lipides 35 30 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Time (sec) (b) Πi = 20 mN/m, Sous-phase: PBS, pH=7,4 Surface pressure (mN/m) 50 40 Fig. 7. (a) Kinetics of the C16BC (1.15µM) penetration into different lipid monolayers initially compressed at X mN/m at 25°C: (a) water, pH 5.7, (b) PBS, pH 7.4. 30 C16BC 20 C16BC-P OP C 10 C16BC-SM 0 C16BC-CHOL -10 0 500 1000 1500 2000 2500 Tim e (s e c) - Pénétration de C16BC est favorable dans les films formés de lipides chargés négativement et de ceux formés de lipides avec des têtes polaires petites. 21 Surface pressure increase (mN/m) 5.1.3. Pouvoir pénétrant de C16BC dans les monocouches lipidiques Πe (mN/m) (a) Sous-phase: eau, pH=5,7 60 50 40 30 DPPS :49,8 CHOL :40,7 POPC :47,1 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Initial surface pressure (mN/m) Surface pressure increase (mN/m) (b) Sous-phase: PBS, pH=7,4 45 Πe(mN/m) :48,9 40 SM 35 POPC 30 CHOL 25 :34,2 :45,7 20 15 10 Fig. 8. Maximal surface pressure increase induced by the penetration of C16BC as a function of the initial surface pressure of the monolayer. (water, pH 5.7, 1.15 µM, 25°C). 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Initial surface pressure (mN/m) - Pouvoir pénétrant de C16BC dans tous les films lipidiques étudiés est au dessus de 30 mN/m, pression présumée des membranes biologiques 22 5.1.4. Conclusion - CnBC propriétés de surface, affinités pour des films lipidiques - Pénétration principalement influencée par les interactions électrostatiques dans l’eau, l’effet hydrophobe dans le milieu salin et la taille de la tête polaire de lipides formant les films dans les deux cas - Dans le milieu fortement salin, l’adsorption à l’interface air-eau et la pénétration dans les films lipidiques de C16BC instantanées - C16BC capable de pénétrer les membranes biologiques in vivo. 23 5.2. Etude des interactions entre le C16BC et les lipides • Objectif - Qualifier et quantifier les interactions entre le C16BC et les 3 familles de lipides formant le feuillet externe de membranes des eucaryotes (glycérophospholipides, sphingolipides, stérols) (Bicouches et monocouches lipidiques, modèles théoriques) 24 5.2.1. Analyse thermodynamique de l’adsorption de C16BC sur les bicouches lipidiques (liposomes) Tab. 3. Paramètres thermodynamiques de l’adsorption de C16BC sur les liposomes (25°C) Liposome K (mM-1) T S Dwb wb D (Kjmol-1) GDwb (Kjmol-1) (Kjmol-1) POPC 35.3 ± 2.3 -0.72 ± 0.19 35.17 ± 2.52 -35.9 ± 2.34 SM 41.6 ± 11.0 -0.88 ± 0.18 35.32 ± 0.92 -36.2 ± 0.73 195.2 ± 13.6 -0.93 ± 0.41 39.2 ± 0.58 -40.1 ± 0.17 SM/CHOL (1:1) - Adsorption de C16BC sur les liposomes est endothermique, gouvernée par l’entropie et favorable dans le liposome contenant du CHOL. 25 60 100 C16BC (a) 50 SM C16BC/SM (2:1) 40 C16BC/SM (1:1) 30 C16BC/SM (1:2) 20 10 20mN/m 30mN/m 60 40 20 A12 = A1X1 + A2X2 0 0 20 40 60 80 100 120 0 140 0 Area (A²/molecule) 0,2 0,4 0,6 0,8 1 C16BC molar ratio 2 10 mN/m 1,5 0 (c) 20 mN/m 1 30 mN/m 0,5 0 -0,5 -1 G ex -1,5 (A 12 X 1 A1 X 2 A2 )d 0 0,2 10 mN/m -0,5 20 mN/m -1 30 mN/m -1,5 -2 -2,5 (d) -3 -3,5 0 -2 ΔGM (10-21 J/molecule) ΔGex (10-21 J/molecule) 10 mN/m (b) 80 A (A²/molecule) Surface pressure (mN/m) 5.2.2. Propriétés interfaciales de monocouches mixtes de C16BC/lipide 0,4 0,6 C16BC m olar ratio 0,8 1 -4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 C16BC m olar ratio Fig. 9. (a) Surface pressure (π)-area (A) isotherms, (b) Mean area, (c) Excess free energy of mixing and (d) Total free energy of mixing versus composition plot for C16BC/SM spread onto 26 PBS subphase pH 7.4, 1.5 mM, 25°C. Tabl. 4. Excès d’énergie libre (ΔGex) et énrgie libre totale (ΔGex) de mélanges de C16BC et les lipides C16BC/POPC C16BC/SM C16BC/CHOL 2/1 1/1 1/2 2/1 1/1 1/2 2/1 1/1 1/2 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 ΔGex ΔGM +++ +++ +++ +++ - - - - - - - +-- 000 000 000 - - - - ΔGex :missibilité, interaction entre les constituants de la monocouche ΔGex : stabilité de la monocuouche mixte +: répulsion/faible attraction, 0: mélange idéal, - : attraction/faible répulsion, stabilité Π: 10,20,30 mN/m -Dans les films mixtes, les molécules de C16BC interagissent avec celles de POPC et SM mais pas avec celles du CHOL. Néanmoins, le C16BC forme des films mixtes stables avec les trois lipides. 27 5.2.3. Modélisation moléculaire (Modèles théoriques) Black: polar contribution (a) Grey: Hydrophobic contribution 0 -5 -10 (b) C16BC/Chol Chol/Chol C16BC/POPC POPC/POPC -20 C16BC/SM -15 SM/SM Energy of interaction (kcal/mol) 5 Fig. 10. (a) Energie totale d’interaction entre molécules identiques de lipide/ et entre chaque lipide et C16BC; Assemblage moléculaire de C16BC avec (b) POPC, (c) SM et (d) CHOL à l’interface hydrophobe/hydrophile (c) C16BC/POPC (d) C16BC/SM C16BC/CHOL C16BC interagirait avec POPC et SM via des forces polaires et hydrophobes mais uniquement via ces dernières avec CHOL - 28 5.2.4. Conclusion - C16BC forte affinité pour les interfaces aqueuse et lipidiques dans un milieu proche des milieux physiologiques - Interactions entre le C16BC et le lipide principalement hydrophobes et favorisée par les arrangements géométriques impliquant les interactions polaires ainsi que la complémentarité structurale - C16BC forme des films mixtes thermodynamiquement stables avec les lipides formant le feuillet externe des membranes des eucaryotes 29 5.3. Effet d’adsorption de quantités croissantes de CnBC sur l’intégrité des liposomes • Objectif - Etudier la perméabilité et/ou la solubilisation des liposomes par les CnBC dans des conditions proches de celles physiologiques (Bicouches lipidiques) 30 5.3.1. Perméabilité des liposomes (LUV + HPTS-DPX) C12BC 80 % Leakage 100 C10BC (a) POPC C4BC 60 C16BC 40 20 C10BC (b) POPG C12BC 80 % Leakage 100 C14BC C16BC 60 40 20 0 0 0 50 100 150 200 250 0 CnBC (µM) 100 150 200 250 CnBC (µM) (c) PSC 100 50 100% = Triton X-100 % Leakage 80 C10BC 60 C12BC 40 C14BC C16BC 20 0 0 50 100 150 200 250 Fig. 11. Libération de HPTS dans les liposomes par les CnBC: (a) POPC, (b) POPG et (c ) POPC/SM/CHOL (50:20:30 mol%) [CnBC] < et > CMC CnBC (µM) général, C10BC, C14BC et C16BC n’ont pas significativement perméabilisé les liposomes comparativement au C12BC et l’effet de ce dernier est plus accentué sur le liposome mixte (PSC/SM/CHOL). 31 - En 5.3.2. Titrage des liposomes par des solutions micellaires de C12BC et C16BC 0.4 Heat flow (µcal/sec) (a) C12BC/POPG 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.3 0.2 0.1 0 3500 500 0 8000 7000 6000 5000 (b’) 3000 dq/dn (cal/mol) 1000 4000 Time (sec) 1500 (a’) 3000 2000 1000 0 4 1.6 10 1.4 10 4 4 1 10 8000 6000 4000 2000 0 Time (sec) 4 -0.1 -0.4 dq/dn (cal/mol) (b) C16BC/POPG -0.2 1.2 10 Heat flow (µcal/sec) 1 2500 2000 1500 1000 500 -500 0 0 -1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 C12BC concentration (mM) 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 C16BC concentration (mM) Fig. 12. Titration of micellaire solution of C12BC and C16BC into liposome suspensions. Raw data of C12BC (a) and C16BC (b) into POPG suspensions. Normalized titration heat versus C12BC (a’) or C16BC (b’) conc. in the cell. - C12BC a destabilisé les liposomes de POPG comparativement au C16BC 32 5.3.3. Taille de liposomes (avant et après titrage) 100 Diameter (nm) Diam eter (nm ) Fig. 13. Dimension de particules (25°C): après titrage de POPG par C12BC et C16BC - Dimension de particules a sensiblement augmenté après titrage de 33 liposomes par les C12BC et C16BC 4573 80,17 99,19 122,7 151,8 2988 64,8 1952 42,34 52,38 1275 0 0 833 20 544 10 40 356 20 60 232 30 (b) C12BC/POPG 80 152 (a) POPG 40 Differential number (%), Differential number (%), 50 5.3.4. Potentiel zêta de liposomes (a) POPC (b) POPG 60 40 40 20 C12BC C16BC 0 -20 0 50 100 150 CnBC (µM) 200 250 Zeta potential (mV) Zeta potential (mV) 60 20 0 C12BC -20 C16BC -40 0 50 100 150 200 250 -60 CnBC (µM) Fig. 14. Potentiel zêta après addition des concentrations différentes de C12BC et C16BC aux suspensions de liposomes: (a) POPC et (b) POPG. - Le potentiel zêta des liposomes a augmenté en fonction de la concentration et de la longueur de la chaîne alkyle de CnBC 34 5.3.5. Conclusion - Adsorption de CnBC sur les membranes dans un milieu fortement salin interactions hydrophobes et non attractions électrostatiques - Interaction de CnBC avec les membranes exothermique processus endo et - A des concentrations élevées en CnBC (> CMC) perméabilisation des membranes, mécanisme probable formation de pores; possibilité d’interactions hydrophobes entre les chaînes alkyles des molécules de CnBC adsorbées sur des liposomes différents agrégation de ces derniers. 35 6. Conclusion générale et perspectives 36 -CnBC peuvent être synthétisés à partir de la GB et les alcools gras - Possèdent des propriétés de surface et des affinités intéressantes pour des membranes biologiques - Interagissent principalement via des attractions électrostatiques dans l’eau et des forces hydrophobes dans un mileu fortement salin - Sont moins toxiques et sont des TA potentiels pour la formulation des produits de consommation humaine et pour l’usage médical - Dans l’avenir: - envisager leur synthèse par voie enzymatique, compléter les études de leurs propriétés de surface (émulsifiante, solubilisante, stabilité thermique…) et membranaires (bactéries, érythrocytes) en vue d’exploiter au maximum leurs potentialités tensioactives et de bien évaluer le degré de leur toxicité in vivo. 37 Publications 1. Nsimba Zakanda F., Paquot M., Mvumbi Lelo G, Deleu M. (2010). Les dérivés de la glycine bétaïne: méthodes de synthèse et potentialités d’utilisation. Biotechnologie Agronomie Société et Environnement, 14 (4), 737-748. 2. Nsimba Zakanda F., Laurent P., Paquot M., Mvumbi Lelo G., Deleu M. (2011). Alkylbetainate chlorides: synthesis and behaviour of monolayers at the air-water interface. Thin Solid Films, 520, 344-350. 3. Nsimba Zakanda F., Nott K., Paquot M., Mvumbi Lelo G., Deleu M. (2011). Penetration behaviour of alkylbetainate chlorides into lipid monolayers. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 86 (1), 176-180. 4. Nsimba Zakanda F., Lins L., Nott K., Paquot M., Mvumbi Lelo G., Deleu M. (2012). Interaction of hexadecylbetainate chloride with biological relevant lipids. Langmuir. DOI: 10.1021/la2040328 5. Nsimba Zakanda F., Lins L., Razafindralambo H., Blecker C., Paquot M., Mvumbi Lelo G., Deleu M. (XXXX). Integrity of lipid vesicles in presence of alkylbetainate chloride surfactants: Spectrofluorimetric, Isothermal Titration Calorimetry and Zeta potential studies. A soumettre dans: Biochimica et Biophysica Acta (BBA): Biomembranes. 38 Je vous remercie Glx Agro Bio-Tech / Université de Liège 39