Light-responsive coacervate droplets as bio-inspired compartments

Cette thèse explore le potentiel de la séparation de phase liquide-liquide (LLPS) en tant que stratégie fondamentale pour la construction de compartiments dépourvus de membrane, capables d'imiter des fonctions cellulaires essentielles. L’étude se concentre sur des systèmes de coacervats photo-stimulables, formés par auto-assemblage d’amphiphiles à base d’azobenzène avec des biomolécules chargées, telles que les nucléotides et les polyélectrolytes. En faisant varier systématiquement la structure chimique de ces molécules, l’étude met en évidence l’influence de facteurs tels que la valence de charge et l’architecture moléculaire sur la formation des gouttelettes, leur stabilité et leur réactivité face à des stimuli externes, en particulier la lumière. De manière générale, les azobenzènes faiblement chargés conduisent à des systèmes plus dynamiques et réversibles, tandis que leurs analogues fortement chargés forment des structures plus stables mais moins sensibles à la lumière.Sur la base de ces résultats, le travail étudie l’intégration de ces coacervats azobenzéniques avec des systèmes classiques de polyélectrolytes, menant à la formation de gouttelettes hiérarchiquement structurées et multiphasiques. Ces structures présentent des transitions réversibles induites par la lumière, permettant un contrôle spatio-temporel de la compartimentation et de la séquestration moléculaire. Deux mécanismes distincts de photomodulation ont été identifiés : (1) une homogénéisation induite par la lumière de coacervats multiphasiques, et (2) une séparation de phase déclenchée par la lumière à partir de gouttelettes initialement homogènes, générant des architectures compartimentées.La thèse introduit également des systèmes de coacervats interchangeables, dans lesquels l’identité de phase des gouttelettes peut être modifiée par exposition à la lumière. En utilisant des mélanges ternaires d’amphiphiles azobenzéniques et de différents polyélectrolytes, ces systèmes présentent des propriétés physicochimiques distinctes et des comportements d’encapsulation variés, caractérisés par spectroscopie, microscopie à fluorescence et microfluidique.Dans l’ensemble, ce travail établit une plateforme modulaire, chimiquement définie et optiquement contrôlable pour la conception de compartiments synthétiques basés sur la LLPS. Ces systèmes offrent un fort potentiel pour des applications en biologie synthétique, dans les recherches sur l’origine de la vie, ainsi que dans le développement de matériaux adaptatifs, tout en soulignant les défis à relever tels que le contrôle précis de la dynamique de phase, de la sélectivité moléculaire, et de l’organisation hiérarchique dans les cellules artificielles de nouvelle génération.