Thèse Capteur d'Adsorption de Protéines en Photonique Intégrée H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Centre de Radiofréquences, Optique et Micro-nanoélectronique des Alpes Direction de la thèse : Davide BUCCI ORCID 0000000306668397 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Dans plusieurs domaines comme l'agroalimentaire, le médical ou les capteurs, il est essentiel de comprendre l'interaction entre les protéines et les surfaces de différentes natures. Au LMGP, l'équipe IMBM étudie par exemple la stabilité des formulations médicamenteuses en contact avec différents containers. Elle s'intéresse également aux protéines adhésives naturelles (ex. : des balanes marines), ces dernières étant capables d'adhérer à diverses surfaces, même en milieu aqueux, et surpassant parfois les adhésifs synthétiques.

Ces recherches nécessitent des outils de mesure précis pour quantifier ces interactions. Les techniques les plus connues sont la résonance plasmonique de surface (SPR), la bio-layer interferometry (BLI), la micro-balance à quartz (QCMd).
Or, ces techniques sont parfois peu adaptées aux environnements miniaturisés comme les systèmes microfluidiques (lab-on-chip). Une alternative prometteuse est l'intégration de capteurs optiques sur des substrats plans en verre, compatibles avec la microfluidique.

Le laboratoire CROMA, possède une expertise historique en photonique intégrée sur verre. Grâce à une chaîne complète de fabrication en interne (y compris en salle blanche), il est possible de développer de composants flexibles et performants. La photonique intégrée sur verre se prête donc à la conception de capteurs pour analyser l'adsorption de protéines, par exemple en adaptant le principe de la BLI (Biolayer Interferometry) sur un dispositif intégré et microfluidique. Une telle approche permettrait d'augmenter la sensibilité via l'optimisation de l'interaction onde évanescente/protéines.

Ce projet vise à concevoir un nouvel interféromètre sur verre, optimisé pour la détection d'interactions protéines-surfaces, en environnement microfluidique. Ce dispositif devra être fonctionnalisable, afin de tester des protéines variées (masses et formes différentes) sur des surfaces modifiées chimiquement. L'environnement microfluidique permettra de réduire le volume d'échantillons requis - un avantage dans le domaine protéique, souvent contraint par le coût des biomolécules.
En 2024 et 2025, deux études (stages M2 financés par la FMNT) ont démontré le potentiel de cette technologie. Un interféromètre Mach-Zehnder sur verre, combiné à un microcapot PDMS imprimé en 3D, a été utilisé pour détecter l'interaction entre une protéine, l'albumine de sérum bovin (BSA) et la surface en verre, via une analyse spectrale. Bien qu'un signal de réponse ait été détecté, une caractérisation métrologique du capteur (limite de détection, reproductibilité, etc.) reste néanmoins à effectuer. Ces premiers résultats ont néanmoins permis d'identifier plusieurs pistes d'optimisation.
Une fois la caractérisation du capteur et son optimisation complétées, l'objectif de la thèse sera d'étudier les interactions entre diverses protéines et la surface du capteur qui pourra être fonctionnalisée, car en verre.

Au-delà de l'approfondissement des connaissances fondamentales sur les interactions protéines-surfaces, ce capteur pourrait trouver des applications concrètes dans :
-le contrôle qualité des protéines post-purification ou après stockage,
-les biotechnologies et l'industrie pharmaceutique (ex. : interactions protéines/plastiques),
-la mise au point de capteurs biomédicaux.
La possibilité de modifier la surface du verre (hydrophobe/hydrophile, dépôt de polymères) offre un terrain d'expérimentation riche. Toutefois, ces modifications devront respecter des critères de qualité optique élevés, afin de garantir une bonne interaction avec le champ sonde. La caractérisation des couches déposées et leur impact sur la réponse du capteur feront l'objet d'investigations théoriques et expérimentales, pour assurer le bon fonctionnement du dispositif. Un aspect qui sera pris en compte sera l'évaluation de l'impact environnemental avec des méthodes de type Analyse du cycle de vie, en cours de développement dans l'équipe Photo de CROMA. Dans des secteurs clés tels que l'agroalimentaire, le médical et les capteurs, la compréhension fine des interactions entre les protéines et différentes surfaces est cruciale. Ces interactions jouent un rôle dans la stabilité des formulations pharmaceutiques, ou dans le fonctionnement de colles naturelles, comme celles utilisées par certains animaux marins (ex. : balanes).

Les méthodes de mesure existantes (SPR, BLI, QCMd) sont performantes, mais présentent des limites, notamment en ce qui concerne leur adaptation aux systèmes miniaturisés de type lab-on-chip. Cela freine le développement de dispositifs portables, compacts et compatibles avec des petites quantités de fluide à analyser.
Dans ce projet, nous nous proposons de développer une nouvelle technologie d'étude miniaturisée des interactions entre les protéines et différents types de surfaces. Dans ce but, nous souhaitons élaborer un interféromètre sur verre optimisé, fonctionnalisable et en environnement microfluidique. Ce système sera testé en utilisant une large variété de protéines, de différentes masses et sous différentes formes et ce, sur différents types de surfaces obtenues en modifiant le verre chimiquement.
L'utilisation d'un système microfluidique aura pour avantage de diminuer le volume d'échantillon nécessaire pour l'analyse, critère important dans le domaine de l'étude des protéines car ces molécules peuvent être coûteuses.
L'étude des interactions protéines-surfaces émergeant de ce projet permettra de mieux comprendre ce phénomène important pour divers domaines. De plus, selon les résultats obtenus (en sensibilité notamment) cette nouvelle technologie pourrait avoir des applications dans le contrôle qualité des protéines après purification ou stockage à plus longue durée, problématiques importantes dans l'agro-alimentaire, la pharmacie, les biotechnologies ou les capteurs.
Un intérêt du verre qui est facilement fonctionnalisable ou modifiable (par exemple en le rendant hydrophobe ou hydrophile). Il sera donc intéressant déposer des polymères carbonnés sur l'interféromètre ; Ceci permettrait d'étudier les interactions protéines-polymères, intérêt majeur pour l'industrie pharmaceutique. Ces couches vont sans doute changer la réponse de l'interféromètre, mais leur influence pourra être prise en compte lors des opérations d'étalonnage, ou de traitement de données. Une nécessité est que les couches déposées soient de bonne qualité optique car elles interagissent avec le champ sonde sur la zone active de l'interféromètre.
Le dépôt et la caractérisation de l'influence des couches sur un guide d'onde de surface constitueront donc un domaine à investiguer d'un point de vue théorique et expérimental, afin de garantir le fonctionnement optimal du dispositif dans toutes les conditions.
Le/la doctorant/e sera recruté/e au laboratoire CROMA en collaboration avec le LMGP. La thèse sera dirigée par Davide Bucci (MCF HDR) à 50% et co-dirigée par Charlotte Vendrely (MCF HDR) à 50%. Elle devra tout d'abord effectuer une recherche bibliographique et se former aux techniques de fabrication et caractérisation des guides d'ondes fabriquées par échange d'ions sur verre et à la manipulation des protéines (BSA...).
- La première année de thèse sera au début dédiée à étoffer les premiers résultats obtenus précédemment. Pour cela, la personne en thèse devra se former aux techniques de fabrication des capteurs. Elle commencera d'abord par élaborer des structures simples et pourra mettre en place une procédure automatique ou semi-automatique de traitement de données permettant d'extraire le décalage d'un interférogramme rapidement. Le travail continuera avec une étude et la fabrication d'une structure optimisée, basée par exemple sur un interféromètre Mach-Zehnder symétrique, où la zone d'interaction avec la solution sera clairement délimitée. L'interféromètre sera testé en utilisant des protéines modèles de différentes tailles (masses) et structures moléculaires et supramoléculaires préparées par le doctorant au laboratoire LMGP. Les protéines modèles proposées sont : l'albumine de sérum bovin (BSA), le lysozyme de poule (HL). L'équipe IMBM travaille également sur différents peptides qui pourront également être étudiés pour tester la sensibilité du système.
- La deuxième année aura pour but de mener une étude des principaux paramètres métrologiques indispensables pour la qualification du dispositif dans un contexte capteur (ce qui est très important pour envisager des publications dans des revues de secteur). Du temps sera ensuite dédié à l'étude de l'interaction des protéines avec la surface de verre modifiée par des couches de type polymère qui seront déposées sur la zone active du composant. De plus, l'étude sur les protéines sera abordée sous d'autres aspects en analysant des formes dégradées, agrégées d'une même protéine (choisie en fonction des résultats obtenus lors de la première année).
- Finalement, la première partie de la troisième année portera sur l'observation de l'évolution temporelle de l'absorption des protéines sur les couches évaluées et l'intégration du capteur, dans une approche de type laboratoire sur puce, avec d'autres fonctions telles qu'un système de contrôle de température. La seconde partie de la troisième année sera consacrée à la rédaction du manuscrit et à la préparation de la soutenance de la thèse.

Compte tenu des résultats préliminaires obtenus, nous évaluons les risques du projet essentiellement sur la partie technologique (pannes d'équipement clés sur les plateformes technologiques, avec délais de réparation longs). Une planification attente du travail expérimental sur les 3 ans permettront de les réduire au minimum.

Le ou la candidat(e) devra être diplômé(e) d'une école d'ingénieur ou titulaire d'un master (M2) dans les domaines de l'optique, de la photonique, de l'électronique, de la science des matériaux ou d'une discipline connexe. Une appétence pour les interfaces avec la biologie et l'ingénierie des surfaces est souhaitée. Des compétences en traitement du signal optique, en instrumentation expérimentale, ou en modélisation de dispositifs photoniques constitueront un atout.