Properso Veesler
CRISTALLISATION ET MIGRATION EN SOLUTION
Stéphane VEESLER (E-mail)
Directeur de recherche au CNRS (section 05)Recherche au sein du département Sources et Sondes Ponctuelles
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Plateforme microfluidique pour la cristallisation de protéines et la co-cristallisation protéines-ligands.
Nous présentons une plateforme microfluidique à base de gouttes, adaptée à la cristallisation des protéines. L'usine à microgouttes est conçue pour générer des centaines de microgouttes de quelques nanolitres (10-9L) pour la recherche (criblage) et l'optimisation des conditions de cristallisation Les jonctions microfluidiques et les tubes sont disponibles dans le commerce et sont combinés pour créer la géométrie appropriée, on peut parler d'un "lego®" microfluidique.
De plus, un capillaire peut être rempli avec des solutions différentes sans que celles-ci ne se mélangent, ce qui permet d’ajouter successivement des
solutions différentes dans les gouttes après leur génération on parle alors d'une "chimiothèque" pour bibliothèque chimique. Le concept microfluidique
d'une "bibliothèque chimique à base d'agents de cristallisation" est validé par criblage des conditions de cristallisation du lysozyme de blanc d'œuf de
poule (une protéine modèle).
Une "chimiothèque à base de ligands" est également explorée pour la co-cristallisation de la protéine QR2 (quinone réductase de type 2), dans le but de
concevoir un médicament à partir de la structure de la protéine avec son ligand. Cette plateforme mélange des phases aqueuses (contenant la protéine et
l'agent de cristallisation) et des phases organiques (contenant le ligand), pendant la génération et la circulation des microgouttes sans utiliser de
surfactant. La composition des gouttelettes est contrôlée par les débits respectifs des différentes solutions et vérifiée par mesure de l'absorbance en ligne.
Les faibles volumes impliqués dans les essais de cristallisation, la rapidité d'exécution et l'absence d'étape de microfabrication font de cette plateforme un
outil économique, facile à utiliser et polyvalent pour les études de cristallisation.
Référence: Gerard, C. J. J.; Ferry, G.; Vuillard, L. M.; Boutin, J. A.; Ferte, N.; Grossier, R.; Candoni, N.; Veesler, S., A Chemical Library to Screen Protein and Protein–Ligand Crystallization Using a Versatile Microfluidic Platform. Cryst. Growth Des. 2018, 18, 5130-5137. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.8b00572
ou sur archives-ouvertes(hal-01392627)
Acknowledgements: Cet article est issu de la thèse de Charline Gérard réalisée au CINaM département SSP (thèse CIFRE Institut de Recherche Servier). We thank the Institut de Recherche Servier for financial support. We thank T. Bactivelane (CINaM), M. Lagaize (CINaM), and M. Audiffren (ANACRISMAT) for technical assistance. We thank Marjorie Sweetko for English revision.
A versatile microfluidic approach to crystallization
We present a simple and easy-to-use microfluidic set-up for the crystallization of mineral, organic and biological materials. After briefly presenting the hydrodynamic properties of the set-up, we test and validate it with viscous media by crystallizing a protein in an aqueous solution of PEG. We obtain nucleation data in nano-crystallizers using a droplet-based method and precisely controlling input flows to test different crystallization conditions.
Référence: Zhang, S., N. Ferté, N. Candoni, and S. Veesler, Versatile Microfluidic Approach to Crystallization. Organic Process Research & Development, 2015. http://dx.doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00122
Acknowledgements: We thank Marjorie Sweetko for English revision. We thank Région PACA and C'Nano PACA for financial supports. We thank Dr. M. El-Hajji (Sanofi) for the rasburicase and Minh Phat La, B. Benhaim, T. Bactivelane (CINaM) and Mr. Audiffren (ANACRISMAT) for technical assistance.
Mesure par imagerie du comportement individuel de gouttes au sein d’une population quand ni la résolution ni le contraste ne le permettent
| Suivre l’évolution d’un objet par imagerie optique nécessite la prise d’images assez contrastées (l’objet est bien distinct du fond de l’image) et suffisamment résolues (grand nombre de pixels par objet). Si toute expérimentation s’attache à optimiser ces deux paramètres afin de rendre efficient les algorithmes de traitement d’image, il est des situations où de telles optimisations ne sont pas possibles. Les travaux menés ici ont pour objet le suivi de la contraction (évaporation) d’une population conséquente de micro-gouttes d’eau salée [Video], afin d’y discerner des comportements collectifs et individuels : les micro-gouttes sont elles sensibles au comportement de leurs voisines ? Pour contourner le manque de résolution spatiale des images combiné à des contrastes optiques faibles voir nuls, |
Référence: Grossier, R.; Tishkova, V.; Morin, R.; Veesler, S., A parameter to probe microdroplet dynamics and crystal nucleation. AIP Advances 2018, 8, 075324.. Open access
Acknowledgements: The authors would like to thank Marion Pellen and Marin Jourdan. We thank Marjorie Sweetko for English revision.
Une application de la microfluidique
| ... à la cristallisation d'une macromolécule d'intérêt pharmaceutique et à la biologie structurale. Voir la VIDEO |
Référence: Gerard, C. J. J.; Ferry, G.; Vuillard, L. M.; Boutin, J. A.; Chavas, L. M. G.; Huet, T.; Ferte, N.; Grossier, R.; Candoni, N.; Veesler, S., Crystallization via tubing microfluidics permits both in situ and ex situ X-ray diffraction. Acta Crystallographica Section F 2017, 73 (10), 574-578. https://doi.org/10.1107/S2053230X17013826
ou sur archives-ouvertes(hal-01392627)
Acknowledgements: We thank the Institut de Recherche Servier for financial support. We thank T. Bactivelane (CINaM), M. Lagaize (CINaM) and M. Audiffren (ANACRISMAT) for technical assistance. We thank G. Sulzenbacher, S. Spinelli and P. Cantau (AFMB) for the transport of the crystals and their support about crystallography. Experiments at Synchrotron SOLEIL were performed under the in house proposal number 99150097. Results incorporated in this note received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 708130.
Cristallisation : criblage des phases et des conditions de cristallisation
Le département SSP a organisé un stage sur la cristallisation à destination de techniciens, ingénieurs et chercheurs du monde académique ou industrielle du 20 au 22 mars 2017. Voir la VIDEO ci-dessous présente la formation.|
Les objectifs de ce stage furent :
- Connaître les mécanismes de la croissance cristalline entrant en jeu lors de l'élaboration des matériaux par cristallisation - Appréhender l’influence de la thermodynamique et de la cinétique sur la cristallisation et les propriétés des matériaux cristallisés en solution - Etre capable de bâtir une stratégie expérimentale de criblage - - Savoir utiliser un montage de cristallisation type multi-puits thermostatés. La vidéo ci-contre présente la formation. |
en savoir plus
Microfluidic platform for optimization of crystallization conditions
This paper presents a universal, high-throughput droplet-based microfluidic platform for crystallization studies. The platform offers four modular functions: droplet formation, on-line characterization, incubation and observation. We validate the platform for fine-gradient screening and optimization of crystallization conditions.
Référence: Shuheng Zhang, Charline J.J. Gerard, Aziza Ikni, Gilles Ferry, Laurent M. Vuillard, Jean A. Boutin, Nathalie Ferte, Romain Grossier, Nadine Candoni, Stéphane Veesler, Microfluidic platform for optimization of crystallization conditions. Journal of Crystal growth, Volume 472, 15 August 2017, Pages 18-28. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.01.026
ou sur archives-ouvertes(hal-01392627)
Acknowledgements: We thank the Institut de Recherche Servier and ANR BAcMolMot (ANR-14-CE09-0023-03) for financial support. We thank T. Bactivelane (CINaM), M. Lagaize (CINaM) and M. Audiffren (ANACRISMAT) for technical assistance. We thank Marjorie Sweetko for English revision.
A versatile microfluidic approach to crystallization
We present a simple and easy-to-use microfluidic set-up for the crystallization of mineral, organic and biological materials. After briefly presenting the hydrodynamic properties of the set-up, we test and validate it with viscous media by crystallizing a protein in an aqueous solution of PEG. We obtain nucleation data in nano-crystallizers using a droplet-based method and precisely controlling input flows to test different crystallization conditions.
Référence: Zhang, S., N. Ferté, N. Candoni, and S. Veesler, Versatile Microfluidic Approach to Crystallization. Organic Process Research & Development, 2015. http://dx.doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00122
Acknowledgements: We thank Marjorie Sweetko for English revision. We thank Région PACA and C'Nano PACA for financial supports. We thank Dr. M. El-Hajji (Sanofi) for the rasburicase and Minh Phat La, B. Benhaim, T. Bactivelane (CINaM) and Mr. Audiffren (ANACRISMAT) for technical assistance.
Do the differing properties of materials influence their nucleation mechanisms?
We present different experimental approaches to study and control nucleation, and shed light on some of the factors affecting the nucleation process. Faraday Discussions
Référence: Hammadi, Z., R. Grossier, A. Ikni, N. Candoni, R. Morin, and S. Veesler, Localizing and inducing primary nucleation. Faraday Discussions, 2015. 179: p. 489-501. http://dx.doi.org/10.1039/C4FD00274A
Acknowledgements: We thank N. Ferte for protein characterization and fruitful discussions. We thank M. Sweetko for English revision.
Transient Calcium Carbonate Hexahydrate (Ikaite) Nucleated and Stabilized in Confined Nano- and Picovolumes
Calcium carbonate precipitation at different
values of the nominal ionic activity product (IAP) is studied in
nanoliter and picoliter droplets at (20 ± 2 °C). Experiments
are carried out through direct mixing of equimolar reactant
solutions using two different setups: first, droplet-based
microfluidics using Teflon capillaries (nanoliter experiments)
and second, the microinjection technique under oil (picoliter
droplets). Instantaneous precipitation of a metastable CaCO3
phase is initially observed. This phase is stabilized in time by
reducing the initial volume of the experiments from the nanoto
picoliters range and when the CaCl2/Na2CO3 ratio approaches 1. Further analysis by X-ray diffraction, transmission electron
microscopy, and selected area electron diffraction confirms the first nucleated phase is CaCO3·6H2O (ikaite) and in few droplets
ikaite plus CaCO3·H2O (monohydrocalcite). No evidence of amorphous calcium carbonate (ACC) is found even in conditions
where the IAP exceeds the solubility product of this phase. The in vitro finding of ikaite formation and stabilization due to
volume confinement is an unexpected result since it is the first time that this hydrous phase is stabilized at room temperature (it
is normally found at near 0 °C) in the absence of additives. This result can be of interest for those biomineralization processes
occurring in the confined volumes of intracellular vesicles and for biomimetic materials science in general.
Référence: I. Rodríguez-Ruiz, S. Veesler, J. Gómez-Morales, J.M. Delgado-López, O. Grauby, Z. Hammadi, N. Candoni, J.M. García-Ruiz, Transient Calcium Carbonate Hexahydrate (Ikaite) Nucleated and Stabilized in Confined Nano- and Picovolumes, Crystal Growth & Design, (2014),14,792-802. http://dx.doi.org/10.1021/cg401672v
Acknowledgements: The authors thank Damien Chaudansson and Serge Nietsche for HRTEM and SAED experiments and Luis David PatinÞo Loìpez for his valuable help with Mach.Zehnder interferometry experiments. We also thanks Dr. Frederic Harb for the fruitful discussions. We thank Dr. Marcus O’Mahony for English revision.
Monitoring picoliter sessile microdroplet dynamics shows that size doesn't matter
We monitor the dissolution of arrayed picoliter-size sessile microdroplets of aqueous phase in oil, generated using a recently developed fluidic device. Initial pinning of the microdroplet perimeter leads to a nearly constant contact diameter; thus contraction proceeds via microdroplet (micrometer diameter) height and contact angle reductions. This confirms that picoliter microdroplets contraction or dissolution due to selective diffusion of water in oil has comparable dynamics with microliter droplets evaporation in air. We observe a constant microdroplet dissolution rate in different aqueous solutions. The application of this simple model to solvent-diffusion-driven crystallization experiments in confined volumes, for instance, would allow us to precisely determine the concentration in the microdroplet during an experiment and particularly at nucleation. .
Référence: Rodríguez-Ruiz, I.; Hammadi, Z.; Grossier, R.; Gómez-Morales, J.; Veesler, S. Langmuir 2013, 29, 12628-12632. http://dx.doi.org/10.1021/la402735k
Acknowledgements: We thank M. Sweetko for English revision.
Vers le confinement spatial de la nucléation
Il apparait clairement que l'étape de nucléation est décisive dans le contrôle des propriétés des matériaux. On s'intéresse à son contrôle
en suivant deux objectifs : le premier très fondamental concerne la détection du germe critique, la théorie de la nucléation et la compréhension
des mécanismes; le second objectif, plus applicatif, concerne la maitrise de la cristallisation des matériaux et de leurs propriétés
(pour l'industrie pharmaceutique, la biocristallographie ou la biominéralisation…). C'est dans ce cadre que nous avons mené des expérimentations
vers le confinement, la localisation spatiale et temporelle de la nucléation, démontrant les possibilités d'un unique événement de cristallisation.
Référence: Hammadi Z., Candoni N., Grossier R., Ildefonso M., Morin R., Veesler S., Small-volumes nucleation, C. R. Physique, 14 (2013 ) 192-198. hhttp://dx.doi.org/10.1016/j.crhy.2012.12.004
Remerciements: N. Ferté pour la biochimie (CINaM), Minh Phat La, T. Bactivelane (CINaM), M. Audiffren (Anacrismat) pour l'assistance technique et M. Sweetko (English revision).
- VIDEO "crystal driving" copyright RG 2011
La naissance des cristaux, la nucléation, est au cœur de nombreux processus naturels, comme la formation des os, dents et coquillages, mais aussi
de processus technologiques comme l’élaboration de médicaments ou de nanomatériaux. En solution, l’étude expérimentale directe de la nucléation
de cristaux butte sur son aspect aléatoire : on ne sait pas où et quand un évènement de nucléation va se produire. Dans cette lettre, nous abordons
ce problème par le confinement spatial du milieu de cristallisation et nous montrons qu’un événement unique de nucléation peut être déclenché par
l’action d’une pointe ultrafine (quelques nm de rayon de courbure), assurant ainsi un contrôle à la fois spatial et temporel de la nucléation.
Cette lettre décrit certains résultats obtenus par cette approche ainsi que les perspectives qu’elle ouvre dans l’étude de la nucléation.
Référence: Predictive nucleation of crystals in small volumes and its consequences Grossier R. ; Hammadi Z. ; Morin R. ; Veesler S. Phys. Rev. Lett. 2011, 107 (2), 025504
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i2/e025504
Remerciements: F. Bedu pour le "spin coating" (CINaM), T. Bactivelane (CINaM), M. Audiffren (Anacrismat) pour l'assistance technique et M. Sweetko (English revision).
DU DETERMINISME DANS LA NUCLEATION D'UN CRISTAL
- VIDEO Cristallisation du lysozyme dans une puce microfluidique
L'obstacle majeur à la détermination de la fréquence de nucléation est la quantité importante de produit utilisé et le nombre d'expériences indispensables pour établir une statistique représentative de la nucléation. Afin de réduire à la fois la quantité de produit et la durée de l'étude, on se sert de montages expérimentaux utilisant des volumes de l'ordre de la centaine de nL générés par microfluidique. Les puces microfluidiques permettent de générer des trains de gouttes (environ 200) de phase aqueuse dans l'huile. Dans cet article on montre qu'avec un outil simple d'utilisation et de conception nous avons pu mesurer des cinétiques de nucléation avec de faibles quantités de matière première et nous avons également montré que les mécanismes qui gouvernent la nucléation à l'échelle du nL sont les mêmes que ceux dans des volumes plus élevés
Référence: Using microfluidics for fast, accurate measurement of lysozyme nucleation kinetics. Ildefonso M., Candoni N., and Veesler S., Cryst. Growth Des., 2011. 11(5): p. 1527-1530. http://dx.doi.org/10.1021/cg101431g
Remerciements: N. Ferté pour la biochimie (CINaM), T. Bactivelane (CINaM), M. Audiffren (Anacrismat) pour l'assistance technique et M. Sweetko (English revision).
LA MICROFLUIDIQUE AU SERVICE DE LA CRISTALLISATION
- VIDEO Generation de microgouttes
Nous avons développé une méthode d'étude des transitions de phases en milieux confinés basée sur la génération contrôlée, sous microscope optique,
de microgouttes (sur une gamme de taille allant du micron jusqu'à 100 microns soit du fL au nL) qui jouent le rôle de "nanoréacteurs".
Ces microgouttes sont formées via l'instabilité de Rayleigh-Plateau (un jet en forme de cylindre se brise en gouttelettes sphériques pour
des raisons d'énergie de surface). En agissant sur les conditions de formation, la taille de ces microgouttes peut être ajustée de façon
dynamique et des réseaux de plusieurs centaines à milliers de gouttes peuvent être réalisés. Ceci est un avantage par rapport à la microfluidique
où la taille des gouttes est largement déterminée par la taille des canaux. Enfin, microgouttes, suivi de la transition de phases et phases nucléées
sont observables in-situ par microscopie optique et des microscopies à haute résolution (électronique, AFM) sont utilisables pour l'observation
ex-situ des phases nucléés. Ceci est illustré par la génération de monocristaux de taille nanométrique, de taille monodisperse (voisine de 0.2 µm3)
disposés régulièrement (1 par microgoutte) sur une surface.
legende figure: Microgouttes générées au cours de la même expérience, gamme de taille 5-50µm.
Référence: Generating nanoliter to femtoliter microdroplets with ease Grossier R.; Hammadi Z.; Morin R.; Magnaldo A.; Veesler S, Appl. Phys. Lett. 2011, 98, (9), 091916-3 http://apl.aip.org/resource/1/applab/v98/i9/p091916_s1
Remerciements: A. Ranguis pour l'AFM (CINaM), O. Grauby pour la microscopie électronique (CINaM), F. Bedu pour le "spin coating" (CINaM) , T. Bactivelane (CINaM), B. Detailleur (CINaM), M. Audiffren (Anacrismat) pour l'assistance technique et M. Sweetko (English revision).
Cet article a été sélectionné: for the March 21, 2011 issue of Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology. The Virtual Journal, which is published by the American Institute of Physics and the American Physical Society in cooperation with numerous other societies and publishers, is an edited compilation of links to articles from participating publishers, covering a focused area of frontier research. You can access the Virtual Journal at http://www.vjnano.org
DES MICROGOUTTES À LA DEMANDE
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