Hydrogels d'ADN inspirés des vitrimères avec une dynamique contrôlable

Cette thèse a pour but de décrire et expliquer l'impact des réorganisations sur les propriétés mécaniques des hydrogels supramoléculaires. En particulier, ce projet est focalisé sur l’analyse des mécanismes d'échanges dissociatifs et associatifs sur le même hydrogel d'ADN. De plus, nous essayons de rationaliser comment les contraintes appliquées à l’échelle macroscopique se propagent aux unités moléculaires du réseau, comment elles déforment la structure de l’hydrogel et comment elles le fracturent.Nous avons conçu un hydrogel d'ADN dans lequel nous avons programmé une réaction de “toehold- mediated strand displacement” qui permet un échange associatif à basse température. Nous avons étudié les hydrogels d'ADN dynamiques à travers des tests en rhéologie couplés à une analyse cinétique par spectroscopie de fluorescence ainsi que de multiples méthodes d'imagerie/microscopie de fluorescence.Nous avons développé une méthode performante de synthèse et d’assemblage d’ADN pour produire suffisamment de matière pour réaliser des expériences de rhéologie macroscopique sur des hydrogels d’ADN. Nous avons exploité l’amplification circulaire roulante, la chimie enzymatique ainsi que la microfiltration pour synthétiser de l’ADN simple brin long et pur, en séquence contrôlée. Nous avons optimisé les tests de rhéologie pour obtenir des mesures précises du module de stockage et de perte sur des petits échantillons, avec un contrôle précis de la température et une reproductibilité entre les expériences. Cela nous a permis d'effectuer une caractérisation mécanique approfondie des propriétés clés des hydrogels d'ADN dans les régimes linéaires et non linéaires.Nous avons étudié le contrôle du temps de relaxation de l'hydrogel d'ADN en fonction du mécanisme de réorganisation. Nous avons démêlé l'impact respectif des mécanismes dissociatifs et associatifs sur la dynamique et les propriétés mécaniques des hydrogels d'ADN dynamiques par des expériences de rhéologie en faisant varier la température. Finalement, nous avons montré que le “toehold-mediated strand displacement” permet un contrôle efficace du temps de relaxation de l'hydrogel d'ADN sur 4 ordres de grandeur sans impacter leur ténacité, ce qui est impossible à faire avec les hydrogels d'ADN dissociatifs conventionnels. Afin de rationaliser la thermodynamique des mécanismes d'échange se produisant dans le gel, nous avons réalisé des expériences de “Time-Temperature Superposition” (TTS) sur des gels dans un rhéomètre et une analyse cinétique sur des brins en solution par spectroscopie de fluorescence. Nous avons proposé des profils d’énergie potentielle pour les mécanismes d'échange se produisant dans les hydrogels d'ADN afin d’expliquer les différents régimes enthalpiques observés en fonction de la température. Nous avons également montré les caractéristiques clés du système que nous avons conçu permettant un contrôle in situ du temps de relaxation avec des “blocking strands” ou le rétablissement de la force de l’hydrogel en une journée sans reformation par rampe de température.Enfin, nous présentons un outil que nous avons développé pour effectuer simultanément des mesures de contrainte et de déformation dans une cellule de cisaillement transparente avec de l’imagerie en temps réel en fluorescence sur deux longueurs d'onde d'émission différentes. Nous avons calibré les mesures de contrainte et de déformation permettant une étude rhéologique précise. Nous avons également établi une relation d'étalonnage entre stress et fluorescence permettant une estimation locale du stress par des mesures de fluorescence. Ces travaux ouvrent la voie à la caractérisation en temps réel de sondes mécaniques en fluorescence adaptées aux contraintes impliquées dans les mécanismes cellulaires.