WO2016034714A1 - Capsules with a conductive membrane - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a capsule formed of a liquid core and at least one gelled envelope completely encapsulating the liquid core at its periphery, said gelled envelope comprising an electrically conductive material; the use of such a capsule for the production of bioreactors, the screening of microorganisms or the production of an anode and / or cathode of a bacterial cell and a method for screening electroactive bacteria using said capsule and a device comprising such a capsule.
- Household, industrial or animal waste thus represents a potential energy output of 17 GW and an energy of 5.10 11 kWh.
- Microbial cells also known as bacteria cells, are remarkable green energy devices that exploit microorganisms to produce electricity from organic compounds such as waste.
- the bacterium feeds on waste and at the same time releases electrons.
- the inventors of the present invention have developed a capsule that can encapsulate an electro-active object that has many advantages over the prior art techniques for selecting electroactive microorganisms.
- the capsule according to the invention makes it possible to compartmentalize the culture and therefore to decorrelate the bioreactor from the reading system of the electrochemical activity of the microorganisms. It also allows a culture over a longer time because the membrane of the capsule protects the culture from contaminations.
- the culture in capsule allows the renewal of the medium without complex manipulations such as centrifugations or multiple pipetting. The easy renewal of the environment eliminates the problems related to evaporation.
- the capsule according to the invention makes it possible to connect the culture to a reading system to know the electrochemical performances of the encapsulated organism.
- the capsule according to the invention provides a new tool to the culture of microorganisms in liquid heart capsules by allowing to act electrically on the encapsulated organism.
- the present invention therefore relates to a capsule comprising a liquid core, a gelled envelope completely encapsulating the liquid core at its periphery, the gelled envelope being adapted to retain the liquid heart when the capsule is immersed in a gas, an aqueous solution or an oil, the gelled envelope comprising at least one gelled polyelectrolyte and at least one surfactant, characterized in that the gelled envelope further comprises an electrically conductive material.
- electrically conductive material is meant a material capable of passing an electric current, that is to say electrons, and convey the current, so electrons, from one point to another, through a solid medium. It is understood in the context of the present invention that the electrical conductivity covers all types of electrical conductivities, with the exception of the ionic conductivity, defined by the displacement of ions in a liquid. Thus, in the context of the present invention, the electrically conductive material is not an ionically conductive material.
- the electrically conductive material consists of electrically conductive solid particles, more particularly of carbon nanotubes, carbon black or graphene.
- said electrically conductive material is biocompatible.
- biocompatible material is meant a material that does not degrade the biological medium in which it is used.
- a biocompatible compound according to the invention is for example a polyelectrolyte of natural origin such as chitosan or sodium alginate.
- the liquid heart of the capsule according to the invention consists of an aqueous or oily liquid that may contain molecules, microorganisms, or other objects larger than the maximum pore size of the membrane (about 20 nm).
- the liquid core comprises at least one electro-active object.
- electro-active object an electrically active or reactive object capable of exchanging, generating or capturing electrons or generating or sensing another electro-active object.
- the electro-active object is chosen from microorganisms, cells, macromolecules and electroactive solid particles.
- Macromolecules are molecules with at least several tens of atoms.
- macromolecule is meant for example a protein, a lipid, a sugar or a polymer.
- electroactive solid particles means particles onto which electroactive objects such as microorganisms, cells or macromolecules defined within the scope of the present invention are grafted or adsorbed.
- the particles on which electroactive objects are grafted or adsorbed are, for example, particles of gold, polystyrene or silica.
- the electro-active object is selected from bacteria of the genus Escherichia Coli, Geobacter, Shewanella, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum, Enterobacter.
- the liquid heart of the capsule may comprise at the time of encapsulation variable amounts of molecules, microorganisms, macromolecules and cells that will be adapted depending on the type of encapsulated object.
- the liquid heart of the capsule may comprise at the time of encapsulation an amount of cells greater than or equal to 1 cell / capsule.
- It may also comprise at the time of encapsulation an amount of microorganisms greater than or equal to 1 microorganisms / capsule, preferably greater than the minimum inoculum.
- an amount of microorganisms greater than or equal to 1 microorganisms / capsule, preferably greater than the minimum inoculum.
- the minimum inoculum For each bacterium, there is indeed a minimal inoculum that corresponds to the minimum concentration of bacteria that allows the crop to grow.
- the liquid contained in the liquid heart is physiologically acceptable. It may in particular comprise a saline solution, macromolecules or molecules, a physiologically acceptable viscosifier and / or a culture medium for the growth and / or culture of microorganisms or cells.
- culture medium any medium, in particular any liquid medium, capable of supporting the growth of cells or microorganisms.
- a core composed of 15% of PEG3500 and 0.45% of NaCl.
- this saline solution for maintaining an acceptable osmolarity for the microorganism during encapsulation, this osmolarity being similar to that of the culture medium of the bacterium.
- the liquid heart may also include physiologically acceptable excipients, such as thickeners, or rheology modifiers.
- physiologically acceptable excipients such as thickeners, or rheology modifiers.
- thickeners are, for example, polymers, cross-polymers, microgels, gums or proteins, including polysaccharides, celluloses, polysaccharides, silicone-based polymers and co-polymers, colloidal particles (silica, clays). , latex, biocompatible carbon nanotubes .
- the gelled envelope of the capsules according to the invention comprises a gel containing water, at least one polyelectrolyte reactive with multivalent ions and the electrically conductive material.
- the envelope further contains a surfactant resulting from its manufacturing process, as described below.
- the envelope contains at least one surfactant, preferably two.
- the present invention also relates to a capsule as mentioned above, comprising two surfactants.
- the first of the two surfactants allows the formation of the capsule. It may for example be chosen from sodium dodecyl sulfate or sodium stearoyl-2-lactylate.
- the second of the two surfactants makes it possible to stabilize the dispersion of the electrically conductive material.
- It may for example be chosen from sodium dodecyl sulfate, polyoxyethylene (23) lauryl ether or polyoxyethylene (20) cetyl ether. More particularly, its dialysis then allows the destabilization of the dispersion and the creation of a conductive network.
- the capsule according to the invention is obtained from a process comprising the following steps of:
- the second solution containing at least one surfactant prior to contact with the first solution and therefore before contact with the gelling solution.
- said second liquid solution containing a liquid polyelectrolyte suitable for gelling and the conductive material mentioned in step a) of the process is formed by contacting the electrically conductive material in dispersed form and the polyelectrolyte suitable for gelling.
- the gelled envelope is formed by a divalent ion gelled polysaccharide hydrogel comprising electrically conductive solid particles in dispersed and connected form thereby forming an electrically conductive network.
- the ratio of the flow rate of the first solution to the flow rate of the second solution at the outlet of the double jacket is between 0.1 and 20, advantageously between 1 and 5, the gelled envelope having a thickness of between 1 .6% and 55%, advantageously between 6% and 20% of the diameter of the capsule, after recovery of the capsules formed.
- the drops formed by coextrusion in the jacket fall by gravity through a volume of air into the gelling solution.
- surfactant means an amphiphilic molecule having two parts of different polarity, one lipophilic and apolar, the other hydrophilic and polar.
- a surfactant may be of ionic type (cationic or anionic), zwitterionic or nonionic.
- the surfactant is preferably an anionic surfactant, a nonionic surfactant, a cationic surfactant, or a mixture thereof.
- the molecular weight of the surfactant is between 150 g / mol and 10,000 g / mol, advantageously between 250 g / mol and 1500 g / mol.
- the surfactant is an anionic surfactant, it is for example chosen from an alkyl sulphate, an alkyl sulphonate, an alkyl aryl sulphonate, an alkaline alkyl phosphate, a dialkyl sulphosuccinate, an alkaline earth salt of saturated or unsaturated fatty acids.
- surfactants advantageously have at least one hydrophobic hydrocarbon chain having a number of carbons greater than 5 or even 10 and at least one hydrophilic anionic group, such as a sulphate, a sulphonate or a carboxylate linked to one end of the hydrophobic chain.
- the surfactant is a cationic surfactant
- it is for example chosen from an alkylpyridium or alkylammonium halide salt such as n-ethyldodecylammonium chloride or bromide, cetylammonium chloride or bromide (CTAB) .
- CTLAB cetylammonium chloride or bromide
- These surfactants advantageously have at least one hydrophobic hydrocarbon chain having a number of carbons greater than 5 or even 10 and at least one hydrophilic cationic group, such as a quaternary ammonium cation.
- the surfactant is a nonionic surfactant
- it is for example chosen from polyoxyethylenated and / or polyoxypropylenated derivatives of fatty alcohols, fatty acids, or alkylphenols, arylphenols, or from alkyl glucosides, polysorbates, cocamides.
- the surfactant will be chosen from the following list: an alkyl sulphate, an alkyl sulphonate, an alkyl aryl sulphonate, an alkaline alkyl phosphate, a dialkyl sulphosuccinate, an alkaline earth salt of saturated or unsaturated fatty acids, a salt of alkylpyridium or alkylammonium halides such as n-ethyldodecylammonium chloride or bromide, cetylammonium chloride or bromide, polyoxyethylenated and / or polyoxypropylenated derivatives of fatty alcohols, fatty acids or alkylphenols, or from arylphenols, alkyl glucosides, polysorbates, cocamides or mixtures thereof.
- the total weight percent of surfactant in the second solution will be greater than 0.01% and is advantageously between 0.01% and 0.5% by weight.
- polyelectrolyte reactive with polyvalent ions means a polyelectrolyte capable of passing from a liquid state in an aqueous solution to a gelled state under the effect of contact with a gelling solution containing multivalent ions such as ions of an alkaline earth metal chosen for example from calcium ions, barium ions, magnesium ions.
- aqueous solution of 2% by weight of polyelectrolyte then has a purely viscous behavior with shear gradients characteristic of the shaping process.
- the viscosity of this zero shear solution is between 50 mPa.s and 10,000 mPa.s, advantageously between 1000 mPa.s and 7000 mPa.s.
- the individual polyelectrolyte chains in the liquid state advantageously have a molar mass greater than 65000 g / mol.
- the individual polyelectrolyte chains form, with the multivalent ions, a cohesive three-dimensional network that retains the liquid core and prevents its flow.
- the individual chains are held together and can not flow freely relative to each other.
- the viscosity of the formed gel is infinite.
- the gel has a threshold of stress to the flow. This stress threshold is greater than 0.05 Pa.
- the gel also has a modulus of elasticity that is non-zero and greater than 35 kPa.
- the three-dimensional gel of polyelectrolyte contained in the envelope traps water and the surfactant.
- the polyelectrolyte is preferably a biocompatible polymer that is harmless to the human body. It is for example produced biologically.
- polysaccharides synthetic polyelectrolytes based on acrylates (sodium, lithium, potassium or ammonium polyacrylate, or polyacrylamide), synthetic polyelectrolytes based on sulfonates (poly (styrene sulfonate)). sodium, for example). More particularly, the polyelectrolyte is selected from an alkaline earth alginate, such as sodium alginate or potassium alginate, gellan or pectin.
- Alginates are produced from brown algae called “laminar”, referred to as “sea weed”.
- Such alginates advantageously have a content of ⁇ -L-guluronate greater than about 50%, preferably greater than 55%, or even greater than 60%.
- the or each polyelectrolyte will be a polyelectrolyte reactive with multivalent ions, in particular a polysaccharide reactive with multivalent ions such as an alkali alginate, a gelane or a pectin, preferably an alkaline alginate advantageously having a bulk content ⁇ -L-guluronate greater than 50%, especially greater than 55%.
- a polysaccharide reactive with multivalent ions such as an alkali alginate, a gelane or a pectin, preferably an alkaline alginate advantageously having a bulk content ⁇ -L-guluronate greater than 50%, especially greater than 55%.
- the mass content of polyelectrolyte in the second solution may be less than 5% by weight and is advantageously between 0.5 and 3% by weight.
- the capsule may further comprise an intermediate envelope encapsulating completely at its periphery the liquid heart, said intermediate envelope itself being completely encapsulated at its periphery by the gelled envelope.
- This liquid intermediate envelope will be formed of an intermediate composition comprising a buffer or a culture medium, and / or a viscosifier.
- the viscosifier will be a water-soluble polymer, such as polyethylene glycol (PEG), dextran, alginate in solution more diluted than in the outer casing or even more diluted alginate than in the outer casing mixed with an electrically conductive material.
- the intermediate envelope is in contact with the heart and the outer envelope and keeps the heart out of contact with the outer envelope.
- the intermediate phase is useful for stabilizing the capsule during its formation, for example in the case where the liquid core contains calcium that can induce gelation of the external phase too early. Indeed, depending on their composition, the culture media can interfere with the polymerization. It thus makes it possible to separate the liquid heart from the external phase to be gelated. It also protects the liquid heart during the formation of drops, the alginate of the outer layer which is not yet polymerized.
- liquid core and the intermediate phase being both liquid, they are eventually mixed to form the liquid heart of the capsule.
- the production of the drops according to the method according to the invention mentioned above is carried out by separate conveying in a double jacket of a first liquid solution containing the aqueous or oily solution in which is preferably included one or more microorganisms, cells, macromolecules or molecules and a second liquid solution containing a liquid polyelectrolyte suitable for gelling, the electrically conductive material and at least one surfactant, the conveying being as described in WO2010 / 063937.
- the separated conveying takes place in a triple envelope, with a third solution comprising the intermediate solution.
- the different flows come into contact and then form a multi-component drop, according to a hydrodynamic mode called “dripping” (drop-by-drop, described in particular in WO 2010 / 063937) or a mode called “jetting” (with jet instability, described in particular in FR 2012/2964017), depending on the size of the capsules desired.
- dripping drop-by-drop, described in particular in WO 2010 / 063937
- jetting with jet instability, described in particular in FR 2012/2964017
- the first flow constitutes the liquid heart and the second flow constitutes the liquid outer envelope.
- the second flux constitutes the liquid intermediate envelope and the third flux the external liquid envelope.
- each multi-component drop is detached from the double (or triple) envelope and falls into a volume of air, before being immersed in a gelling solution containing a reagent capable of gelling the polyelectrolyte of the outer liquid envelope, to form the outer gelled envelope of the capsules according to the invention.
- the multi-component drops may comprise additional layers between the outer shell and the liquid core, other than the intermediate shell.
- This type of drop may be prepared by separate conveying of multiple compositions into multi-envelope devices.
- the reagent capable of gelling the polyelectrolyte present in the gelling solution then forms bonds between the various polyelectrolyte chains present in the liquid outer envelope, then passing to the state gelled, thus causing gelation of the liquid outer shell.
- the individual polyelectrolyte chains present in the liquid outer envelope are connected to each other to form a crosslinked network, also called hydrogel.
- the polyelectrolyte present in the gelled outer shell is in the gelled state and is also called gelled polyelectrolyte or gelled polyelectrolyte.
- a gelled outer envelope adapted to retain the assembly constituted by the heart or the heart and the intermediate envelope, is thus formed.
- This gelled outer shell has a clean mechanical strength, that is to say that it is able to retain the liquid core and, in case of presence of an intermediate envelope, to completely surround the intermediate envelope. This has the effect of maintaining the internal structure of the liquid core and, if appropriate, the intermediate envelope.
- the capsules according to the invention remain in the gelling solution until the outer shell is completely gelled, preferably without exceeding 60 minutes, even more preferably without exceeding 10 minutes.
- the gelling solution can then optionally be removed and the gelled capsules can then optionally be collected and immersed in an aqueous rinsing solution, generally consisting essentially of water, in particular of physiological saline, in order to rinse off the gelled capsules formed.
- an aqueous rinsing solution generally consisting essentially of water, in particular of physiological saline, in order to rinse off the gelled capsules formed.
- This rinsing step makes it possible to extract from the gelled external envelope any excess of the reagent suitable for gelling the gelling solution, and all or part of the surfactant (or other species) initially contained in the second liquid solution.
- the capsule is spherical in shape and has an outside diameter of less than 5 mm and in particular between 0.3 mm and 4 mm.
- the gelled outer shell of the capsules according to the invention has a thickness ranging from 32 ⁇ to 1000 ⁇ , preferably from 120 ⁇ to 400 ⁇ , and advantageously from 100 ⁇ to 350 ⁇ .
- the capsules according to the invention generally have a volume ratio between the core and all the intermediate and outer shells greater than 1, and preferably less than 5.
- the capsules according to the invention generally have a volume ratio between the core and all of the intermediate and outer shells of between 1 and 5.
- the capsules according to the present invention are useful in many sectors of activity such as for example bioenergy, bacterial, enzymatic cells or in the manufacture of electrodes.
- a capsule according to the invention allows:
- the present invention therefore also relates to the use of at least one capsule according to the invention, for the production of bioreactors.
- the present invention therefore also relates to a method for producing bioreactors, comprising the implementation of at least one capsule according to the invention.
- At least one capsule according to the invention for the screening of microorganisms, in particular electroactive microorganisms, more particularly those selected from: Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum and Enterobacter.
- the capsule according to the invention can therefore be a tool for selecting electroactive organisms via the encapsulation of a single cell.
- the conductivity of its membrane allows the passage of an electrode from the inside to the outside of the capsule and vice versa.
- the membrane thus allows the recovery of electrons released into the external environment by the organisms in culture.
- the present invention also relates to the use of at least one capsule according to the invention, for the recovery of electrons produced by microorganisms, in particular those chosen from: Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum and Enterobacter.
- the present invention also relates to a method for recovering electrons produced by microorganisms, in particular those chosen from: Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum and Enterobacter, comprising the use of at least one capsule according to the invention. invention.
- the present invention also relates to the use of a capsule according to the invention for the production of an anode and / or a bacterial cell cathode.
- the capsule is electrically connected to another tank.
- the two components are electrically connected and separated by an ion exchange membrane.
- reservoir is meant a volume containing a redox species and an electrode. This reservoir completes the capsule, playing the role of anode or cathode so that the assembly constitutes a bacterial cell that is to say an anode and cathode electrically connected. If the chemical potential of the capsule is lower than that of the reservoir, the capsule is the anode of the battery. In the opposite case it constitutes the cathode of the stack.
- the present invention also relates to a method for producing an anode and / or a bacterial cell cathode, comprising the implementation of a capsule according to the invention.
- the present invention also relates to an anode and / or a bacterial cell cathode comprising a capsule according to the invention.
- said anode and / or cathode further comprises a reservoir as mentioned above, the capsule and the reservoir being electrically connected and separated by an ion exchange membrane.
- the present invention also relates to a method for screening electroactive bacteria comprising culturing bacteria contained in capsules according to the invention as defined above.
- the screening consists of varying a parameter and selecting a value of this parameter that satisfies a predefined criterion.
- the selection of the value of the parameter is generally done by a measurement corresponding to the criterion defined.
- the parameter "electroactive bacteria” varies according to the criterion: "electrical performance”.
- a method for screening electroactive bacteria according to the invention comprises:
- each capsule comprising an electroactive bacterium
- the monoclonal colonies of electroactive bacteria of step b. result from the division of said electroactive bacteria in each capsule.
- the capsules are placed at a potential of 0.4 V relative to an Ag (s) / AgCl (s) electrode in the presence of a counter electrode.
- the screening method according to the invention comprises an additional step e. in which the best performing monoclonal colony in electrical production is selected.
- the culture conditions of the electroactive bacteria are determined by those skilled in the art according to each bacterium on the basis of his general knowledge.
- the bacteria are cultured in a culture medium comprising a basic culture medium, the latter having the characteristic of being able to support the growth and development of said bacteria, in particular for the obtaining a monoclonal line.
- a basic culture medium is well known to those skilled in the art. There may be mentioned, for example, LB Broth medium or 822 medium of DMSZ.
- - P (k) is the probability that there are k bacteria in a capsule knowing the value of ⁇ .
- ⁇ D 3 xr q xC / 6.
- the present invention also relates to a device comprising at least one capsule according to the invention and at least one electrode, said at least one electrode being in contact with the gelled envelope of said at least one capsule.
- a device comprising at least one capsule according to the invention and at least one electrode, said at least one electrode being in contact with the gelled envelope of said at least one capsule.
- Figure 1 Left: Formation of formation of the bead composed of A in the heart and B around. Right: Extremity of the injector allowing the formation of the bead drop.
- A Exit for the mixture A constituting the heart of the capsule
- B outlet for the mixture B constituting the membrane of the future capsule.
- Figure 3 Liquid heart and conductive membrane capsules
- Figure 7 Mounting of the connection device of the conductive membrane capsule and the electrode system for measuring the current extracted from the capsule
- Figure 8 Temporal evolution of the current from a conductive membrane capsule containing Geobacter sulfurreducens
- the alginate powder LF200FTS, 1% by weight, is then added to the dispersion and then the whole is stirred magnetically for 12 hours in order to obtain the gelling solution.
- the mixture 25 mL of milliQ water, 5.1 g of polyethylene glycol of average molecular weight 3350 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) and 135 mg of NaCl are mixed with magnetic stirring for 3 h.
- a two-drop is created with the device shown in Figures 1 and 2 according to the method described in WO2010 / 063937.
- the mixture to be encapsulated is placed in the syringe A, it will leave the center of the injector (A) to form the heart of the future capsule.
- the gélifiable mixture is placed in the syringe B, it will leave the edge of the injector (B) to form the membrane of the future capsule.
- the creation of the dual-dropper and its parameters are controlled by controlling the flow rates of the two solutions (heart and exterior) via syringe shoots.
- the flow rate of the syringe A is 5 ml / h
- the flow rate of the syringe B is 5 ml / h.
- the bead drop is then gelled by dropping it into the gelling bath.
- the outer solution gels (alginate gels) and encloses the liquid heart of the bead.
- the capsule is created as shown in Figure 3. The capsule is left in the gel bath for 1 h.
- the flow rates for capsule formation are 5 ml / h for the outer solution (membrane) and 5 ml / h for the inner solution (core).
- the injector has a diameter of 3mm (D), it is placed at 5cm above the gelation bath (H).
- the final capsule has a diameter of 1, 7mm (R), with a membrane of 350 ⁇ average thickness (h).
- the heart of the capsule has a volume of 1 1 ⁇ .
- the evolution of the conductivity of the gélifiable mixture is measured using an impedance meter (Materials Mate 7260) on solid gel beads at 10 kHz, as a function of the mass percentage of nanotubes.
- the protocol for creating mixtures with different mass percentages of carbon nanotubes is the same as that of the protocol for creating the gelling mixture of the creation of the capsules. Only the mass of nanotubes changes. 5 different mixtures are made with the following masses of nanotubes: 0; 50; 100; 150; 200 mg corresponding respectively to the following percentages: 0; 0.5; 1; 1, 5; 2% by mass.
- the gelling mixtures are dripped from a height of 5 cm into the gelling bath (identical to that described above).
- the beads are allowed to gel for 24 hours in the bath.
- the marbles are then equilibrated in a solution of CaCl 2 at 1 mM for 48 hours to dialyze the SDS present in the gélifiable mixture.
- a ball is placed between two screws of 3mm diameter 2.7mm apart, connected to the impedance meter. The conductivity at 10 kHz is measured.
- the results show an increase in the conductivity of the gel with the addition of the nanotubes.
- the addition of carbon nanotubes makes it possible to increase the conductivity of the hydrogel up to 100 times.
- Protocol for manufacturing capsules comprising bacteria for monoclonal cultures.
- the encapsulation device is thermally sterilized at 121 ° C. for 20 minutes by an autoclave (JSM table top sterilizer).
- Monoclonal Encapsulation Determination of the monoclonal concentration allowing to have one (or less) bacterium per capsule.
- - P (k) is the probability that there are k bacteria in a capsule knowing the value of ⁇
- the volume of the heart of a capsule is 1 1 ⁇ .
- This protocol thus makes it possible to obtain monoclonal capsules with a low risk of having capsules containing bacteria resulting from a non-monoclonal encapsulation (5% of the capsules containing bacteria).
- the mixture 8.3 ml of milliQ water, 1.7 g of polyethylene glycol of average molecular weight 3500 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) and 45 mg of NaCl are mixed with magnetic stirring for 3 h. Then 1 ml of bacterial solution consisting of the bacteria is added to the concentration of 84 bacteria per milliliter in its culture medium (see below).
- a two-drop is created with the device shown in Figures 1 and 5 according to the method described in WO2010 / 063937.
- the bacterial mixture to be encapsulated (prepared with E. coli or Geobacter bacteria as indicated in the previous paragraph) is placed in the syringe A, it will leave the center of the injector (A) to form the heart of the future capsule .
- the gélifiable mixture is placed in the syringe B, it will leave the edge of the injector (B) to form the membrane of the future capsule.
- the creation of the dual-dropper and its parameters are controlled by controlling the flow rates of the two solutions (heart and exterior) via syringe shoots.
- the flow rate of the syringe A is 5 ml / h
- the flow rate of the syringe B is 5 ml / h.
- the bead drop is then gelled by dropping it into the gelling bath.
- the outer solution gels (alginate gels) and encloses the liquid heart of the bead.
- the capsule is created.
- the capsule is left in the gel bath for 15min.
- the capsules are then cultured in the culture medium of the encapsulated bacterium (cf previous paragraph) supplemented with 5 mM of Cacl2, and under the culture conditions applicable to the encapsulated bacterium. After the incubation, capsules filled with bacteria are obtained.
- the alginate powder LF200FTS, 1.5% by weight, is then added to the dispersion and then everything is stirred magnetically for 12 hours. 1 mM SDS is added with magnetic stirring to obtain the gelling solution.
- the following mixture is prepared: 25 ml of milliQ water, 5.1 g of polyethylene glycol of average molar mass 3350 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) and 135 mg of NaCl are mixed with magnetic stirring during 3h.
- a bacterial solution comprising Geobacter bacteria is prepared as follows:
- a drip is created with the device shown in Figures 1 and 2.
- the mixture to be encapsulated is placed in the syringe A, it will leave the center of the injector (A) to form the heart of the future capsule.
- the gélifiable mixture is placed in the syringe B, it will leave the edge of the injector (B) to form the membrane of the future capsule.
- the creation of the dual-dropper and its parameters are controlled by controlling the flow rates of the two solutions (heart and exterior) via syringe shoots.
- the flow rate of the syringe A is 5 ml / h
- the flow rate of the syringe B is 4 ml / h.
- the bead drop is then gelled by dropping it into the gelling bath.
- the outer solution gels (alginate gels) and encloses the liquid heart of the bead.
- the capsule is created as shown in Figure 2. The capsule is left in the gel bath for 3 minutes.
- the capsule is then transferred to the specific medium of Geobacter.
- the culture is kept for 4 days under anaerobic at 25 degrees Celsius.
- the medium is not buffered with surfactants used in the formulation of the gelling mixture.
- the surfactant is desorbed from the surface of the nanotubes. Unstabilized, the nanotubes connect to each other and create a conductive network within the hydrogel membrane.
- the device consists of three electrodes: a reference electrode silver chloride (Ag (s) / AgCl (s)), a counter electrode composed of a platinum grid and a measuring electrode composed of a wire of platinum. These three electrodes are connected to a potentiostat which allows them to be put under potential.
- the measuring electrode allows the connection of a capsule by a slight physical compression as illustrated in Figure 5 and Figure 6.
- the three electrodes are immersed in 826 DMSZ medium without sodium fumarate.
- FIG. 7 shows the evolution of the current as a function of time without capsule (approximately 4 * 10-8 A), then after the addition of a conductive membrane capsule containing Geobacter in the connection device.
- the current reaches a value of 1, 7 * 10 "5 A.
- the capsule is destroyed in Geobacter specific medium (826 DMSZ medium).
- the encapsulated bacteria are thus recovered.
- the concentration of bacteria is estimated by an optical density measurement.
- the concentration of bacteria inside the capsule is of the order of 6.10 9 bac / mL.
- the capsule according to the invention has many advantages:
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Abstract
The invention relates to a capsule consisting of a liquid core and at least a gelled envelope entirely encapsulating the liquid core on the periphery thereof, said gelled envelope comprising an electroconductive material. The invention also relates to the use of such a capsule for producing bioreactors, screening micro-organisms or producing an anode and/or cathode of microbial fuel cells, to a method for screening electroactive bacteria using said capsule, and to a device comprising such a capsule.
Description
Capsules à membrane conductrice Conductive membrane capsules
La présente invention concerne une capsule formée d'un cœur liquide et d'au moins une enveloppe gélifiée encapsulant totalement le cœur liquide à sa périphérie, ladite enveloppe gélifiée comprenant un matériau conducteur électrique ; l'utilisation d'une telle capsule pour la production de bioréacteurs, le criblage de micro-organismes ou la réalisation d'une anode et/ou cathode de pile à bactéries ainsi qu'une méthode de criblage de bactéries électro-actives utilisant ladite capsule et un dispositif comprenant une telle capsule. The present invention relates to a capsule formed of a liquid core and at least one gelled envelope completely encapsulating the liquid core at its periphery, said gelled envelope comprising an electrically conductive material; the use of such a capsule for the production of bioreactors, the screening of microorganisms or the production of an anode and / or cathode of a bacterial cell and a method for screening electroactive bacteria using said capsule and a device comprising such a capsule.
La limitation de la production de déchets ainsi que la question de leur valorisation, et plus particulièrement celle de la valorisation de leur énergie, est aujourd'hui une préoccupation majeure. The limitation of the production of waste and the question of their valorization, and more particularly that of the valorization of their energy, is today a major concern.
A l'heure actuelle, l'Union Européenne investit beaucoup dans le traitement des déchets. At present, the European Union is investing heavily in waste treatment.
Par ailleurs, le traitement des eaux usées aux États-Unis permet de générer 15 GW d'énergie (25 milliards de dollars) ce qui représente 3% de la puissance électrique des États-Unis. In addition, wastewater treatment in the United States generates 15 GW of energy ($ 25 billion), which represents 3% of US electrical power.
Les déchets domestiques, industriels, ou d'origine animale représentent ainsi une puissance énergétique potentielle de 17 GW et une énergie de 1 , 5.1011 kWh. Household, industrial or animal waste thus represents a potential energy output of 17 GW and an energy of 5.10 11 kWh.
Les piles microbiennes encore appelées piles à bactéries sont des dispositifs d'énergie verte remarquables qui exploitent les microorganismes afin de produire de l'électricité à partir de composés organiques comme les déchets. La bactérie se nourrit de déchets et en même temps, relargue des électrons. Microbial cells, also known as bacteria cells, are remarkable green energy devices that exploit microorganisms to produce electricity from organic compounds such as waste. The bacterium feeds on waste and at the same time releases electrons.
Cependant, les piles à bactéries actuelles présentent certains inconvénients, et il existe un besoin d'amélioration de la production d'énergie par les piles bactériennes existantes, notamment par la recherche de micro-organismes plus électrochimiquement actifs. However, current bacterial cells have certain drawbacks, and there is a need for improvement of energy production by existing bacterial cells, particularly by the search for more electrochemically active microorganisms.
La sélection d'organismes électro-actifs se fait actuellement en parallélisant des cultures dans des micro-puits muni d'une électrode (Hou, Han, & al PlosOne August 2009). Dans un domaine proche, la sélection à haut débit d'enzymes est faite grâce à des plaques de 96 puits (Song, O'Donohue Bioresource Technology 2010). The selection of electroactive organisms is currently done by parallelizing cultures in micro-wells with an electrode (Hou, Han, & al PlosOne August 2009). In a near field, high-throughput enzyme selection is done through 96-well plates (Song, O'Donohue Bioresource Technology 2010).
Les inventeurs de la présente invention ont mis au point une capsule pouvant encapsuler un objet électro-actif qui présente de nombreux avantages par rapport aux techniques de l'art antérieur de sélection de micro-organismes électro-actifs.
La capsule selon l'invention permet de compartimenter la culture donc de décorréler le bioréacteur du système de lecture de l'activité électrochimique des microorganismes. Elle permet également une culture sur un temps plus long car la membrane de la capsule protège la culture des contaminations. De plus, et contrairement à ce qu'il est observé avec les cultures en micro-puit, la culture en capsule permet le renouvellement du milieu sans manipulations complexes telles que des centrifugations ou des pipetages multiples. Le renouvellement facilité du milieu élimine les problèmes liés à l'évaporation. The inventors of the present invention have developed a capsule that can encapsulate an electro-active object that has many advantages over the prior art techniques for selecting electroactive microorganisms. The capsule according to the invention makes it possible to compartmentalize the culture and therefore to decorrelate the bioreactor from the reading system of the electrochemical activity of the microorganisms. It also allows a culture over a longer time because the membrane of the capsule protects the culture from contaminations. In addition, and contrary to what is observed with micro-well cultures, the culture in capsule allows the renewal of the medium without complex manipulations such as centrifugations or multiple pipetting. The easy renewal of the environment eliminates the problems related to evaporation.
Par ailleurs, la capsule selon l'invention permet de connecter la culture à un système de lecture pour connaître les performances électrochimiques de l'organisme encapsulé. Moreover, the capsule according to the invention makes it possible to connect the culture to a reading system to know the electrochemical performances of the encapsulated organism.
Ainsi, la capsule selon l'invention apporte un outil nouveau à la culture de microorganismes dans des capsules à cœur liquide en permettant d'agir de manière électrique sur l'organisme encapsulé. Thus, the capsule according to the invention provides a new tool to the culture of microorganisms in liquid heart capsules by allowing to act electrically on the encapsulated organism.
La présente invention a donc pour objet une capsule comprenant un cœur liquide, une enveloppe gélifiée encapsulant totalement le cœur liquide à sa périphérie, l'enveloppe gélifiée étant propre à retenir le cœur liquide lorsque la capsule est plongée dans un gaz, une solution aqueuse ou une huile, l'enveloppe gélifiée comprenant au moins un polyélectrolyte gélifié et au moins un agent tensioactif, caractérisée en ce que l'enveloppe gélifiée comprend en outre un matériau conducteur électrique. The present invention therefore relates to a capsule comprising a liquid core, a gelled envelope completely encapsulating the liquid core at its periphery, the gelled envelope being adapted to retain the liquid heart when the capsule is immersed in a gas, an aqueous solution or an oil, the gelled envelope comprising at least one gelled polyelectrolyte and at least one surfactant, characterized in that the gelled envelope further comprises an electrically conductive material.
Par « matériau conducteur électrique », on entend un matériau capable de laisser passer un courant électrique, c'est-à-dire des électrons, et de véhiculer le courant, donc des électrons, d'un point à un autre, à travers un milieu solide. Il est entendu dans le cadre de la présente invention que la conductivité électrique recouvre tous les types de conductivités électriques, à l'exception de la conductivité de type ionique, définie par le déplacement d'ions dans un liquide. Ainsi, dans le cadre la présente invention, le matériau conducteur électrique n'est pas un matériau conducteur ionique. By "electrically conductive material" is meant a material capable of passing an electric current, that is to say electrons, and convey the current, so electrons, from one point to another, through a solid medium. It is understood in the context of the present invention that the electrical conductivity covers all types of electrical conductivities, with the exception of the ionic conductivity, defined by the displacement of ions in a liquid. Thus, in the context of the present invention, the electrically conductive material is not an ionically conductive material.
En particulier, le matériau conducteur électrique consiste en des particules solides électriquement conductrices, plus particulièrement en des nanotubes de carbone, du noir de carbone ou du graphène. In particular, the electrically conductive material consists of electrically conductive solid particles, more particularly of carbon nanotubes, carbon black or graphene.
Encore plus particulièrement, ledit matériau conducteur électrique est biocompatible. Even more particularly, said electrically conductive material is biocompatible.
Par « matériau biocompatible », on entend un matériau qui ne dégrade pas le milieu biologique dans lequel il est utilisé. Un composé biocompatible selon l'invention est
par exemple un polyélectrolyte d'origine naturel comme le chitosan ou l'alginate de sodium. By "biocompatible material" is meant a material that does not degrade the biological medium in which it is used. A biocompatible compound according to the invention is for example a polyelectrolyte of natural origin such as chitosan or sodium alginate.
Le cœur liquide de la capsule selon l'invention est constitué d'un liquide aqueux ou huileux pouvant contenir des molécules, microorganismes, ou autres objets de taille supérieure à la taille maximale des pores de la membrane (environ 20 nm). The liquid heart of the capsule according to the invention consists of an aqueous or oily liquid that may contain molecules, microorganisms, or other objects larger than the maximum pore size of the membrane (about 20 nm).
Selon un aspect de la présente invention, le cœur liquide comprend au moins un objet électro-actif. According to one aspect of the present invention, the liquid core comprises at least one electro-active object.
Par « objet électro-actif », on entend un objet électriquement actif ou réactif, capable d'échanger, de générer ou de capter des électrons ou encore de générer ou de capter un autre objet électro-actif. By "electro-active object" is meant an electrically active or reactive object capable of exchanging, generating or capturing electrons or generating or sensing another electro-active object.
En particulier, l'objet électro-actif est choisi parmi les micro-organismes, les cellules, les macromolécules et les particules solides électroactives. Les macromolécules sont des molécules possédant au moins plusieurs dizaines d'atomes. Par « macromolécule », on entend par exemple une protéine, un lipide, un sucre ou un polymère. Par « particules solides électro-actives », on entend des particules sur lesquelles sont greffées ou adsorbées des objets électro-actifs tels que les microorganismes, cellules ou macromolécules définis dans le cadre de la présente invention. Les particules sur lesquelles sont greffées ou adsorbées des objets électro-actifs sont par exemple des particules d'or, de polystyrène ou de silice. In particular, the electro-active object is chosen from microorganisms, cells, macromolecules and electroactive solid particles. Macromolecules are molecules with at least several tens of atoms. By "macromolecule" is meant for example a protein, a lipid, a sugar or a polymer. The term "electroactive solid particles" means particles onto which electroactive objects such as microorganisms, cells or macromolecules defined within the scope of the present invention are grafted or adsorbed. The particles on which electroactive objects are grafted or adsorbed are, for example, particles of gold, polystyrene or silica.
Encore plus particulièrement, l'objet électro-actif est choisi parmi les bactéries du genre Escherichia Coli, Geobacter, Shewanella, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum, Enterobacter. Even more particularly, the electro-active object is selected from bacteria of the genus Escherichia Coli, Geobacter, Shewanella, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum, Enterobacter.
Dans le cadre de la présente invention, le cœur liquide de la capsule peut comprendre au moment de l'encapsulation des quantités variables de molécules, microorganismes, macromolécules et cellules qui seront adaptées en fonction de type d'objet encapsulé. In the context of the present invention, the liquid heart of the capsule may comprise at the time of encapsulation variable amounts of molecules, microorganisms, macromolecules and cells that will be adapted depending on the type of encapsulated object.
Par exemple, le cœur liquide de la capsule peut comprendre au moment de l'encapsulation une quantité de cellules supérieure ou égale à 1 cellule/capsule. For example, the liquid heart of the capsule may comprise at the time of encapsulation an amount of cells greater than or equal to 1 cell / capsule.
Il peut également comprendre au moment de l'encapsulation une quantité de microorganismes supérieure ou égale à 1 microorganismes/capsule, de préférence supérieure à l'inoculum minimal. Pour chaque bactérie, il existe en effet un inoculum minimal qui correspond à la concentration minimale en bactérie qui permet à la culture de croître. It may also comprise at the time of encapsulation an amount of microorganisms greater than or equal to 1 microorganisms / capsule, preferably greater than the minimum inoculum. For each bacterium, there is indeed a minimal inoculum that corresponds to the minimum concentration of bacteria that allows the crop to grow.
De préférence, le liquide contenu dans le cœur liquide est physiologiquement acceptable. Il peut notamment comprendre une solution saline, des macromolécules ou
molécules, un viscosifiant physiologiquement acceptable et/ou un milieu de culture destiné à la croissance et/ou à la culture des micro-organismes ou des cellules. Preferably, the liquid contained in the liquid heart is physiologically acceptable. It may in particular comprise a saline solution, macromolecules or molecules, a physiologically acceptable viscosifier and / or a culture medium for the growth and / or culture of microorganisms or cells.
Par « milieu de culture », on entend tout milieu, en particulier tout milieu liquide, susceptible de soutenir la croissance des cellules ou microorganismes. Pour l'encapsulation de bactéries, on utilise par exemple un cœur composé de 15% de PEG3500 et de 0.45% de NaCI. cette solution saline permettant de maintenir une osmolarité acceptable pour le microorganisme durant l'encapsulation, cette osmolarité étant similaire à celle du milieu de culture de la bactérie. By "culture medium" is meant any medium, in particular any liquid medium, capable of supporting the growth of cells or microorganisms. For the encapsulation of bacteria, use is made, for example, of a core composed of 15% of PEG3500 and 0.45% of NaCl. this saline solution for maintaining an acceptable osmolarity for the microorganism during encapsulation, this osmolarity being similar to that of the culture medium of the bacterium.
Le cœur liquide peut aussi comprendre des excipients physiologiquement acceptables, tels que des épaississants, ou des modificateurs de rhéologie. Ces épaississants sont par exemple des polymères, des cross-polymères, des microgels, des gommes ou des protéines, dont des polysaccharides, des celluloses, des polyosides, des polymères et co-polymères à base de silicone, des particules colloïdales (silice, argiles, latex, nanotubes de carbones biocompatibles ...). The liquid heart may also include physiologically acceptable excipients, such as thickeners, or rheology modifiers. These thickeners are, for example, polymers, cross-polymers, microgels, gums or proteins, including polysaccharides, celluloses, polysaccharides, silicone-based polymers and co-polymers, colloidal particles (silica, clays). , latex, biocompatible carbon nanotubes ...).
L'enveloppe gélifiée des capsules selon l'invention comprend un gel contenant de l'eau, au moins un polyélectrolyte réactif aux ions multivalents et le matériau conducteur électrique. Selon l'invention, l'enveloppe contient en outre un agent tensioactif résultant de son procédé de fabrication, comme décrit par la suite. The gelled envelope of the capsules according to the invention comprises a gel containing water, at least one polyelectrolyte reactive with multivalent ions and the electrically conductive material. According to the invention, the envelope further contains a surfactant resulting from its manufacturing process, as described below.
En particulier, l'enveloppe contient au moins un tensio-actif, préférentiellement deux. In particular, the envelope contains at least one surfactant, preferably two.
Ainsi la présente invention concerne également une capsule telle que mentionnée précédemment, comprenant deux agents tensioactifs. Thus the present invention also relates to a capsule as mentioned above, comprising two surfactants.
En particulier, le premier des deux agents tensioactifs permet la formation de la capsule. Il peut par exemple être choisi parmi le sodium dodecyle sulfate ou le Stéaroyl-2- lactylate de sodium. In particular, the first of the two surfactants allows the formation of the capsule. It may for example be chosen from sodium dodecyl sulfate or sodium stearoyl-2-lactylate.
En particulier, le second des deux agents tensioactifs permet la stabilisation de la dispersion du matériau conducteur électrique. Il peut par exemple être choisi parmi le sodium dodecyle sulfate, le Polyoxyethylene (23) lauryl ether ou le Polyoxyethylene (20) cetyl ether. Plus particulièrement, sa dialyse permet ensuite la déstabilisation de la dispersion et la création d'un réseau conducteur. In particular, the second of the two surfactants makes it possible to stabilize the dispersion of the electrically conductive material. It may for example be chosen from sodium dodecyl sulfate, polyoxyethylene (23) lauryl ether or polyoxyethylene (20) cetyl ether. More particularly, its dialysis then allows the destabilization of the dispersion and the creation of a conductive network.
Tout particulièrement, la capsule selon l'invention est obtenue à partir d'un procédé comprenant les étapes suivantes de : In particular, the capsule according to the invention is obtained from a process comprising the following steps of:
a) convoyage séparé dans une double enveloppe d'une première solution liquide aqueuse ou huileuse et d'une deuxième solution liquide contenant un polyélectrolyte liquide propre à gélifier et le matériau conducteur électrique;
b) formation, à la sortie de la double enveloppe, d'une série de gouttes, chaque goutte comprenant un noyau central formé de ladite première solution et une pellicule périphérique formée de ladite deuxième solution et recouvrant totalement le noyau central; a) separate conveying in a double jacket of a first aqueous or oily liquid solution and a second liquid solution containing a liquid polyelectrolyte suitable for gelling and the electrically conductive material; b) forming, at the exit of the jacket, a series of drops, each drop comprising a central core formed of said first solution and a peripheral film formed of said second solution and completely covering the central core;
c) immersion de chaque goutte dans une solution gélifiante contenant un réactif propre à réagir avec le polyélectrolyte de la pellicule pour le faire passer d'un état liquide à un état gélifié et former l'enveloppe gélifiée comprenant le matériau conducteur électrique, le noyau central formant le cœur liquide; c) immersing each drop in a gelling solution containing a reagent capable of reacting with the polyelectrolyte of the film to change it from a liquid state to a gelled state and form the gelled envelope comprising the electrically conductive material, the central core forming the liquid heart;
d) récupération des capsules formées; d) recovery of formed capsules;
la deuxième solution contenant au moins un agent tensioactif avant son contact avec la première solution et donc avant son contact avec la solution gélifiante. the second solution containing at least one surfactant prior to contact with the first solution and therefore before contact with the gelling solution.
Plus particulièrement, ladite deuxième solution liquide contenant un polyélectrolyte liquide propre à gélifier et le matériau conducteur mentionnée à l'étape a) du procédé est formée par la mise en contact du matériau conducteur électrique sous forme dispersée et du polyélectrolyte propre à gélifier. More particularly, said second liquid solution containing a liquid polyelectrolyte suitable for gelling and the conductive material mentioned in step a) of the process is formed by contacting the electrically conductive material in dispersed form and the polyelectrolyte suitable for gelling.
Encore plus particulièrement, l'enveloppe gélifiée est formée par un hydrogel de polysaccharide gélifié par ions divalents comprenant des particules solides électriquement conductrices sous forme dispersées et connectées formant ainsi un réseau électriquement conducteur. Even more particularly, the gelled envelope is formed by a divalent ion gelled polysaccharide hydrogel comprising electrically conductive solid particles in dispersed and connected form thereby forming an electrically conductive network.
Selon un des aspects de ce procédé, le rapport du débit de la première solution au débit de la deuxième solution à la sortie de la double enveloppe est compris entre 0.1 et 20, avantageusement entre 1 et 5, l'enveloppe gélifiée présentant une épaisseur comprise entre 1 .6% et 55%, avantageusement entre 6% et 20% du diamètre de la capsule, après récupération des capsules formées. According to one aspect of this method, the ratio of the flow rate of the first solution to the flow rate of the second solution at the outlet of the double jacket is between 0.1 and 20, advantageously between 1 and 5, the gelled envelope having a thickness of between 1 .6% and 55%, advantageously between 6% and 20% of the diameter of the capsule, after recovery of the capsules formed.
Selon un autre aspect du procédé, les gouttes formées par coextrusion dans la double enveloppe tombent par gravité à travers un volume d'air dans la solution gélifiante. In another aspect of the process, the drops formed by coextrusion in the jacket fall by gravity through a volume of air into the gelling solution.
Dans le cadre de la présente description, on entend par « tensioactif » une molécule amphiphile présentant deux parties de polarité différente, l'une lipophile et apolaire, l'autre hydrophile et polaire. Un tensioactif peut être de type ionique (cationique ou anionique), zwitterionique ou non ionique. In the context of the present description, the term "surfactant" means an amphiphilic molecule having two parts of different polarity, one lipophilic and apolar, the other hydrophilic and polar. A surfactant may be of ionic type (cationic or anionic), zwitterionic or nonionic.
L'agent tensioactif est avantageusement un tensioactif anionique, un tensioactif non ionique, un tensioactif cationique ou un mélange de ceux-ci. La masse moléculaire de l'agent tensioactif est comprise entre 150 g/mol et 10000 g/mol, avantageusement entre 250 g/mol et 1500 g/mol.
Dans le cas où le tensioactif est un tensioactif anionique, il est par exemple choisi parmi un alkylsulfate, un alkyle sulfonate, un alkylarylsulfonate, un alkylphosphate alcalin, un dialkylsulfosuccinate, un sel d'alcalino-terreux d'acides gras saturés ou non. Ces tensioactifs présentent avantageusement au moins une chaîne hydrocarbonée hydrophobe présentant un nombre de carbones supérieur à 5, voire 10 et au moins un groupement anionique hydrophile, tel qu'un sulfate, un sulfonate ou un carboxylate lié à une extrémité de la chaîne hydrophobe. The surfactant is preferably an anionic surfactant, a nonionic surfactant, a cationic surfactant, or a mixture thereof. The molecular weight of the surfactant is between 150 g / mol and 10,000 g / mol, advantageously between 250 g / mol and 1500 g / mol. In the case where the surfactant is an anionic surfactant, it is for example chosen from an alkyl sulphate, an alkyl sulphonate, an alkyl aryl sulphonate, an alkaline alkyl phosphate, a dialkyl sulphosuccinate, an alkaline earth salt of saturated or unsaturated fatty acids. These surfactants advantageously have at least one hydrophobic hydrocarbon chain having a number of carbons greater than 5 or even 10 and at least one hydrophilic anionic group, such as a sulphate, a sulphonate or a carboxylate linked to one end of the hydrophobic chain.
Dans le cas où le tensioactif est un tensioactif cationique, il est par exemple choisi parmi un sel d'halogénure d'alkylpyridium ou d'alkylammonium comme le chlorure ou le bromure de n-éthyldodecylammonium, le chlorure ou le bromure de cétylammonium (CTAB). Ces tensioactifs présentent avantageusement au moins une chaîne hydrocarbonée hydrophobe présentant un nombre de carbones supérieur à 5, voire 10 et au moins un groupement cationique hydrophile, tel qu'un cation d'ammonium quaternaire. In the case where the surfactant is a cationic surfactant, it is for example chosen from an alkylpyridium or alkylammonium halide salt such as n-ethyldodecylammonium chloride or bromide, cetylammonium chloride or bromide (CTAB) . These surfactants advantageously have at least one hydrophobic hydrocarbon chain having a number of carbons greater than 5 or even 10 and at least one hydrophilic cationic group, such as a quaternary ammonium cation.
Dans le cas où le tensioactif est un tensioactif non ionique, il est par exemple choisi parmi des dérivés polyoxyéthylénés et/ou polyoxypropylénés des alcools gras, des acides gras, ou des alkylphénols, des arylphénols, ou parmi des alkyls glucosides, des polysorbates, des cocamides. In the case where the surfactant is a nonionic surfactant, it is for example chosen from polyoxyethylenated and / or polyoxypropylenated derivatives of fatty alcohols, fatty acids, or alkylphenols, arylphenols, or from alkyl glucosides, polysorbates, cocamides.
En particulier, l'agent tensioactif sera choisi dans la liste suivante : un alkylsulfate, un alkyle sulfonate, un alkylarylsulfonate, un alkylphosphate alcalin, un dialkylsulfosuccinate, un sel d'alcalino-terreux d'acides gras saturés ou non, un sel d'halogénure d'alkylpyridium ou d'alkylammonium comme le chlorure ou le bromure de n- éthyldodecylammonium, le chlorure ou le bromure de cétylamonium, des dérivés polyoxyéthylénés et/ou polyoxypropylénés des alcools gras, des acides gras ou des alkylphénols, ou parmi des arylphénols, des alkyls glucosides, des polysorbates, des cocamides ou leurs mélanges. In particular, the surfactant will be chosen from the following list: an alkyl sulphate, an alkyl sulphonate, an alkyl aryl sulphonate, an alkaline alkyl phosphate, a dialkyl sulphosuccinate, an alkaline earth salt of saturated or unsaturated fatty acids, a salt of alkylpyridium or alkylammonium halides such as n-ethyldodecylammonium chloride or bromide, cetylammonium chloride or bromide, polyoxyethylenated and / or polyoxypropylenated derivatives of fatty alcohols, fatty acids or alkylphenols, or from arylphenols, alkyl glucosides, polysorbates, cocamides or mixtures thereof.
Plus particulièrement, le pourcentage massique total en agent tensioactif dans la deuxième solution sera supérieur à 0,01 % et est avantageusement compris entre 0,01 % et 0,5% en masse. More particularly, the total weight percent of surfactant in the second solution will be greater than 0.01% and is advantageously between 0.01% and 0.5% by weight.
Par « polyélectrolyte réactif aux ions polyvalents », on entend, au sens de la présente invention, un polyélectrolyte susceptible de passer d'un état liquide dans une solution aqueuse à un état gélifié sous l'effet d'un contact avec une solution gélifiante contenant des ions multivalents tels que des ions d'un métal alcalino-terreux choisis par exemple parmi les ions calcium, les ions baryum, les ions magnésium. For the purposes of the present invention, the term "polyelectrolyte reactive with polyvalent ions" means a polyelectrolyte capable of passing from a liquid state in an aqueous solution to a gelled state under the effect of contact with a gelling solution containing multivalent ions such as ions of an alkaline earth metal chosen for example from calcium ions, barium ions, magnesium ions.
Dans l'état liquide, les chaînes individuelles de polyélectrolyte sont sensiblement libres de s'écouler les unes par rapport aux autres. Une solution aqueuse de 2% en masse de polyélectrolyte présente alors un comportement purement visqueux aux
gradients de cisaillement caractéristiques du procédé de mise en forme. La viscosité de cette solution à cisaillement nul est entre 50 mPa.s et 10000 mPa.s, avantageusement entre 1000 mPa.s et 7000 mPa.s. In the liquid state, the individual polyelectrolyte chains are substantially free to flow relative to one another. An aqueous solution of 2% by weight of polyelectrolyte then has a purely viscous behavior with shear gradients characteristic of the shaping process. The viscosity of this zero shear solution is between 50 mPa.s and 10,000 mPa.s, advantageously between 1000 mPa.s and 7000 mPa.s.
Les chaînes individuelles de polyélectrolyte dans l'état liquide présentent avantageusement une masse molaire supérieure à 65000 g/mole. The individual polyelectrolyte chains in the liquid state advantageously have a molar mass greater than 65000 g / mol.
Dans l'état gélifié, les chaînes individuelles de polyélectrolyte forment, avec les ions multivalents, un réseau tridimensionnel cohésif qui retient le cœur liquide et empêche son écoulement. Les chaînes individuelles sont retenues les unes par rapport aux autres et ne peuvent pas s'écouler librement les unes par rapport aux autres. Dans cet état, la viscosité du gel formé est infinie. De plus, le gel a un seuil de contrainte à l'écoulement. Ce seuil de contrainte est supérieur à 0,05 Pa. Le gel possède également un module d'élasticité non nul et supérieur à 35 kPa. In the gelled state, the individual polyelectrolyte chains form, with the multivalent ions, a cohesive three-dimensional network that retains the liquid core and prevents its flow. The individual chains are held together and can not flow freely relative to each other. In this state, the viscosity of the formed gel is infinite. In addition, the gel has a threshold of stress to the flow. This stress threshold is greater than 0.05 Pa. The gel also has a modulus of elasticity that is non-zero and greater than 35 kPa.
Le gel tridimensionnel de polyélectrolyte contenu dans l'enveloppe emprisonne de l'eau et l'agent tensioactif. The three-dimensional gel of polyelectrolyte contained in the envelope traps water and the surfactant.
Le polyélectrolyte est de préférence un polymère biocompatible inoffensif pour le corps humain. Il est par exemple produit biologiquement. The polyelectrolyte is preferably a biocompatible polymer that is harmless to the human body. It is for example produced biologically.
Avantageusement, il est choisi parmi les polysaccharides, polyélectrolytes de synthèse à base d'acrylates (polyacrylate de sodium, de lithium, de potassium ou d'ammonium, ou polyacrylamide), de polyélectrolytes de synthèse à base de sulfonates (poly(styrène sulfonate) de sodium, par exemple). Plus particulièrement, le polyélectrolyte est choisi parmi un alginate d'alcalino-terreux, tel qu'un alginate de sodium ou un alginate de potassium, une gellane ou une pectine. Advantageously, it is chosen from polysaccharides, synthetic polyelectrolytes based on acrylates (sodium, lithium, potassium or ammonium polyacrylate, or polyacrylamide), synthetic polyelectrolytes based on sulfonates (poly (styrene sulfonate)). sodium, for example). More particularly, the polyelectrolyte is selected from an alkaline earth alginate, such as sodium alginate or potassium alginate, gellan or pectin.
Les alginates sont produits à partir d'algues brunes appelées «laminaires», désignées par le terme anglais « sea weed ». Alginates are produced from brown algae called "laminar", referred to as "sea weed".
De tels alginates présentent avantageusement une teneur en a-L-guluronate supérieure à environ 50%, de préférence supérieure à 55%, voire supérieure à 60%. Such alginates advantageously have a content of α-L-guluronate greater than about 50%, preferably greater than 55%, or even greater than 60%.
En particulier, le ou chaque poyélectrolyte sera un polyélectrolyte réactif aux ions multivalents, notamment un polysaccharide réactif aux ions multivalents tel qu'un alginate d'alcalin, une géllane ou une pectine, de préférence un alginate d'alcalin ayant avantageusement une teneur en bloc α-L-guluronate supérieure à 50%, notamment supérieure à 55%. In particular, the or each polyelectrolyte will be a polyelectrolyte reactive with multivalent ions, in particular a polysaccharide reactive with multivalent ions such as an alkali alginate, a gelane or a pectin, preferably an alkaline alginate advantageously having a bulk content α-L-guluronate greater than 50%, especially greater than 55%.
Plus particulièrement, la teneur massique en polyélectrolyte dans la deuxième solution peut être inférieure à 5% en masse et est avantageusement comprise entre 0,5 et 3% en masse. More particularly, the mass content of polyelectrolyte in the second solution may be less than 5% by weight and is advantageously between 0.5 and 3% by weight.
Selon un aspect de la présente invention, la capsule pourra comprendre en outre une enveloppe intermédiaire encapsulant totalement à sa périphérie le cœur liquide, ladite
enveloppe intermédiaire étant elle-même encapsulée totalement à sa périphérie par l'enveloppe gélifiée. According to one aspect of the present invention, the capsule may further comprise an intermediate envelope encapsulating completely at its periphery the liquid heart, said intermediate envelope itself being completely encapsulated at its periphery by the gelled envelope.
Cette enveloppe intermédiaire liquide sera formée d'une composition intermédiaire comprenant un tampon ou un milieu de culture, et/ou un viscosifiant. En particulier, le viscosifiant sera un polymère hydrosoluble, tel que du Polyéthylène glycol (PEG), du dextran, de l'alginate en solution plus dilué que dans l'enveloppe extérieure ou encore de l'alginate plus dilué que dans l'enveloppe extérieure mélangé à un matériau conducteur électrique. This liquid intermediate envelope will be formed of an intermediate composition comprising a buffer or a culture medium, and / or a viscosifier. In particular, the viscosifier will be a water-soluble polymer, such as polyethylene glycol (PEG), dextran, alginate in solution more diluted than in the outer casing or even more diluted alginate than in the outer casing mixed with an electrically conductive material.
L'enveloppe intermédiaire est au contact du cœur et de l'enveloppe externe et maintient le cœur hors de contact de l'enveloppe externe. The intermediate envelope is in contact with the heart and the outer envelope and keeps the heart out of contact with the outer envelope.
La phase intermédiaire est utile pour stabiliser la capsule lors de sa formation, par exemple dans le cas où le cœur liquide contient du calcium susceptible d'induire trop tôt la gélification de la phase externe. En effet, selon leur composition, les milieux de culture peuvent interférer avec la polymérisation. Elle permet ainsi de séparer le cœur liquide de la phase externe à gélifier. Elle permet aussi de protéger le cœur liquide pendant la formation des gouttes, de l'alginate de la couche externe qui n'est pas encore polymérisé. The intermediate phase is useful for stabilizing the capsule during its formation, for example in the case where the liquid core contains calcium that can induce gelation of the external phase too early. Indeed, depending on their composition, the culture media can interfere with the polymerization. It thus makes it possible to separate the liquid heart from the external phase to be gelated. It also protects the liquid heart during the formation of drops, the alginate of the outer layer which is not yet polymerized.
En particulier, le cœur liquide et la phase intermédiaire étant toutes deux liquides, celles-ci se mélangent à terme pour former le cœur liquide de la capsule. In particular, the liquid core and the intermediate phase being both liquid, they are eventually mixed to form the liquid heart of the capsule.
La présence d'une telle enveloppe intermédiaire est notamment décrite dans l'article scientifique « Formation of liquid-core capsules having a thin hydrogel membrane : liquid pearls », Bremond et al, Soft Matter, 2010, 2484-2488. The presence of such an intermediate envelope is described in particular in the scientific article "Formation of liquid-core capsules having a thin hydrogel membrane: liquid pearls", Bremond et al, Soft Matter, 2010, 2484-2488.
Production des gouttes Drop production
La production des gouttes selon le procédé selon l'invention mentionné précédemment est effectuée par convoyage séparé dans une double enveloppe d'une première solution liquide contenant la solution aqueuse ou huileuse dans laquelle est préférentiellement comprise un ou plusieurs micro-organismes, cellules, macromolécules ou molécules et d'une deuxième solution liquide contenant un polyélectrolyte liquide propre à gélifier, le matériau conducteur électrique et au moins un agent tensioactif, le convoyage étant tel que décrit dans WO2010/063937. The production of the drops according to the method according to the invention mentioned above is carried out by separate conveying in a double jacket of a first liquid solution containing the aqueous or oily solution in which is preferably included one or more microorganisms, cells, macromolecules or molecules and a second liquid solution containing a liquid polyelectrolyte suitable for gelling, the electrically conductive material and at least one surfactant, the conveying being as described in WO2010 / 063937.
Dans le cas de la présence supplémentaire d'une enveloppe intermédiaire, le convoyage séparé s'effectue dans une triple enveloppe, avec une troisième solution comprenant la solution intermédiaire. In the case of the additional presence of an intermediate envelope, the separated conveying takes place in a triple envelope, with a third solution comprising the intermediate solution.
A la sortie de la double (ou triple) enveloppe, les différents flux entrent en contact et se forme alors une goutte multi-composante, selon un mode hydrodynamique dit de « dripping » (goutte-à-goutte, décrit notamment dans WO 2010/063937) ou un mode dit
de « jetting » (avec une instabilité de jet, décrit notamment dans FR 2012/2964017), selon la taille des capsules souhaitées. At the exit of the double (or triple) envelope, the different flows come into contact and then form a multi-component drop, according to a hydrodynamic mode called "dripping" (drop-by-drop, described in particular in WO 2010 / 063937) or a mode called "jetting" (with jet instability, described in particular in FR 2012/2964017), depending on the size of the capsules desired.
Le premier flux constitue le cœur liquide et le deuxième flux constitue l'enveloppe externe liquide. Dans le cas de la présence de l'enveloppe intermédiaire, le deuxième flux constitue l'enveloppe intermédiaire liquide et le troisième flux l'enveloppe externe liquide. The first flow constitutes the liquid heart and the second flow constitutes the liquid outer envelope. In the case of the presence of the intermediate envelope, the second flux constitutes the liquid intermediate envelope and the third flux the external liquid envelope.
Selon le mode de production, chaque goutte multi-composante se détache de la double (ou triple) enveloppe et chute dans un volume d'air, avant d'être immergée dans une solution gélifiante contenant un réactif propre à gélifier le polyélectrolyte de l'enveloppe externe liquide, pour former l'enveloppe externe gélifiée des capsules selon l'invention. According to the production method, each multi-component drop is detached from the double (or triple) envelope and falls into a volume of air, before being immersed in a gelling solution containing a reagent capable of gelling the polyelectrolyte of the outer liquid envelope, to form the outer gelled envelope of the capsules according to the invention.
Selon certaines variantes, les gouttes multi-composantes peuvent comprendre des couches supplémentaires entre l'enveloppe externe et le cœur liquide, autre que l'enveloppe intermédiaire. Ce type de goutte peut être préparé par convoyage séparé de multiples compositions dans des dispositifs à multiples enveloppes. According to some embodiments, the multi-component drops may comprise additional layers between the outer shell and the liquid core, other than the intermediate shell. This type of drop may be prepared by separate conveying of multiple compositions into multi-envelope devices.
Etape de qélification Stage of qélification
Lorsque la goutte multi-composante entre en contact de la solution gélifiante, le réactif propre à gélifier le polyélectrolyte présent dans la solution gélifiante forme alors des liaisons entre les différentes chaînes de polyélectrolyte présentes dans l'enveloppe externe liquide, passant alors à l'état gélifié, provoquant ainsi la gélification de l'enveloppe externe liquide. When the multi-component drop comes into contact with the gelling solution, the reagent capable of gelling the polyelectrolyte present in the gelling solution then forms bonds between the various polyelectrolyte chains present in the liquid outer envelope, then passing to the state gelled, thus causing gelation of the liquid outer shell.
Sans vouloir être lié à une théorie particulière, lors du passage à l'état gélifié du polyélectrolyte, les chaînes individuelles de polyélectrolyte présentes dans l'enveloppe externe liquide se raccordent les unes aux autres pour former un réseau réticulé, aussi appelé hydrogel. Without wishing to be bound to a particular theory, during the transition to the gelled state of the polyelectrolyte, the individual polyelectrolyte chains present in the liquid outer envelope are connected to each other to form a crosslinked network, also called hydrogel.
Dans le cadre de la présente description, le polyélectrolyte présent dans l'enveloppe externe gélifiée est à l'état gélifié et est également appelé polyélectrolyte à l'état gélifié ou encore polyélectrolyte gélifié. In the context of the present description, the polyelectrolyte present in the gelled outer shell is in the gelled state and is also called gelled polyelectrolyte or gelled polyelectrolyte.
Une enveloppe externe gélifiée, propre à retenir l'ensemble constitué par le cœur ou le cœur et l'enveloppe intermédiaire, est ainsi formée. Cette enveloppe externe gélifiée présente une tenue mécanique propre, c'est-à-dire qu'elle est capable retenir le cœur liquide et, en cas de présence d'une enveloppe intermédiaire, d'entourer totalement l'enveloppe intermédiaire. Ceci a pour effet de maintenir la structure interne du cœur liquide et le cas échéant, de l'enveloppe intermédiaire. A gelled outer envelope, adapted to retain the assembly constituted by the heart or the heart and the intermediate envelope, is thus formed. This gelled outer shell has a clean mechanical strength, that is to say that it is able to retain the liquid core and, in case of presence of an intermediate envelope, to completely surround the intermediate envelope. This has the effect of maintaining the internal structure of the liquid core and, if appropriate, the intermediate envelope.
Les capsules selon l'invention séjournent dans la solution gélifiante le temps que l'enveloppe externe soit complètement gélifiée, de préférence sans excéder 60 minutes, encore plus préférentiellement sans excéder 10 minutes.
On peut ensuite éventuellement éliminer la solution gélifiante et les capsules gélifiées peuvent ensuite éventuellement être collectées et plongées dans une solution aqueuse de rinçage, généralement essentiellement constituée d'eau, en particulier de l'eau physiologique, afin de rincer les capsules gélifiées formées. Cette étape de rinçage permet d'extraire de l'enveloppe externe gélifiée un éventuel excès du réactif propre à gélifier de la solution gélifiante, et tout ou partie du tensioactif (ou d'autres espèces) contenu initialement dans la deuxième solution liquide. The capsules according to the invention remain in the gelling solution until the outer shell is completely gelled, preferably without exceeding 60 minutes, even more preferably without exceeding 10 minutes. The gelling solution can then optionally be removed and the gelled capsules can then optionally be collected and immersed in an aqueous rinsing solution, generally consisting essentially of water, in particular of physiological saline, in order to rinse off the gelled capsules formed. This rinsing step makes it possible to extract from the gelled external envelope any excess of the reagent suitable for gelling the gelling solution, and all or part of the surfactant (or other species) initially contained in the second liquid solution.
La présence d'un tensioactif dans la deuxième solution liquide permet d'améliorer la formation et la gélification des gouttes multi-composantes selon le procédé tel que décrit précédemment. The presence of a surfactant in the second liquid solution makes it possible to improve the formation and gelation of the multi-component drops according to the process as described above.
Caractéristiques des capsules gélifiées Characteristics of gelled capsules
Avantageusement, la capsule est de forme sphérique et présente un diamètre extérieur inférieur à 5 mm et compris notamment entre 0.3 mm et 4 mm. Advantageously, the capsule is spherical in shape and has an outside diameter of less than 5 mm and in particular between 0.3 mm and 4 mm.
De préférence, l'enveloppe externe gélifiée des capsules selon l'invention possède une épaisseur comprise de 32 μηι à 1000 μηι, de préférence de 120 μηι à 400 μηι, et avantageusement de 100 μηι à 350 μηι. Preferably, the gelled outer shell of the capsules according to the invention has a thickness ranging from 32 μηι to 1000 μηι, preferably from 120 μηι to 400 μηι, and advantageously from 100 μηι to 350 μηι.
Les capsules selon l'invention présentent généralement un rapport volumique entre le cœur et l'ensemble des enveloppes intermédiaire et externe supérieur à 1 , et de préférence inférieur à 5. The capsules according to the invention generally have a volume ratio between the core and all the intermediate and outer shells greater than 1, and preferably less than 5.
Selon un mode de réalisation particulier, les capsules selon l'invention présentent généralement un rapport volumique entre le cœur et l'ensemble des enveloppes intermédiaire et externe compris entre 1 et 5. According to a particular embodiment, the capsules according to the invention generally have a volume ratio between the core and all of the intermediate and outer shells of between 1 and 5.
Ainsi, les capsules selon la présente invention sont utiles dans de nombreux secteurs d'activités comme par exemple celui des bioénergies, des piles bactériennes, enzymatiques ou encore dans celui de la fabrication d'électrodes. Thus, the capsules according to the present invention are useful in many sectors of activity such as for example bioenergy, bacterial, enzymatic cells or in the manufacture of electrodes.
Elles trouvent de nombreuses applications telles que la sélection de microorganismes électro-actifs ou la création d'énergie électrique à partir de déchets. They find many applications such as the selection of electroactive microorganisms or the creation of electrical energy from waste.
Ainsi, une capsule selon l'invention permet: Thus, a capsule according to the invention allows:
- la production à grande cadence de bio-réacteurs (1 bio-réacteur/seconde) ; - high-speed production of bio-reactors (1 bio-reactor / second);
- le criblage de micro-organismes en permettant l'encapsulation d'une seule cellule qui donnera une colonie mono-clonale, les réservoirs et donc les cellules d'intérêts pouvant être ensuite choisis selon l'électro-activité ;screening for microorganisms by allowing the encapsulation of a single cell which will give a mono-clonal colony, the reservoirs and therefore the cells of interest that can then be selected according to the electro-activity;
- la digitalisation, parallélisation et miniaturisation de la culture ; - digitalization, parallelization and miniaturization of culture;
- la récupération d'électrons et donc de l'énergie produite par une population de micro-organismes ;
- l'encapsulation d'espèces électrochimiques et le déclenchement de réactions internes à la capsule via le contact d'une électrode avec la membrane.the recovery of electrons and therefore of the energy produced by a population of microorganisms; encapsulation of electrochemical species and triggering of internal reactions in the capsule via the contact of an electrode with the membrane.
- la polarisation du réacteur pour permettre la croissance de micro-organismes sous un potentiel donné et ajustable the polarization of the reactor to allow the growth of microorganisms under a given and adjustable potential
Selon un de ces aspects, la présente invention concerne donc également l'utilisation d'au moins une capsule selon l'invention, pour la production de bioréacteurs. According to one of these aspects, the present invention therefore also relates to the use of at least one capsule according to the invention, for the production of bioreactors.
Selon un de ces aspects, la présente invention concerne donc également une méthode pour produire des bioréacteurs, comprenant la mise en œuvre d'au moins une capsule selon l'invention. According to one of these aspects, the present invention therefore also relates to a method for producing bioreactors, comprising the implementation of at least one capsule according to the invention.
Elle concerne également l'utilisation d'au moins une capsule selon l'invention, pour le criblage de micro-organismes, en particulier de microorganismes électro-actifs, encore plus particulièrement de ceux choisi parmi : Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum et Enterobacter. It also relates to the use of at least one capsule according to the invention, for the screening of microorganisms, in particular electroactive microorganisms, more particularly those selected from: Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum and Enterobacter.
La capsule selon l'invention peut donc constituer un outil de sélection d'organismes électro-actifs via l'encapsulation d'une cellule unique. The capsule according to the invention can therefore be a tool for selecting electroactive organisms via the encapsulation of a single cell.
Par ailleurs, la conductivité de sa membrane permet le passage d'une électrode de l'intérieur vers l'extérieur de la capsule et inversement. La membrane permet donc la récupération d'électrons relargués dans le milieu extérieur par les organismes en culture. Moreover, the conductivity of its membrane allows the passage of an electrode from the inside to the outside of the capsule and vice versa. The membrane thus allows the recovery of electrons released into the external environment by the organisms in culture.
Ainsi, la présente invention concerne également l'utilisation d'au moins une capsule selon l'invention, pour la récupération d'électrons produits par des microorganismes, en particulier ceux choisi parmi : Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum et Enterobacter. Thus, the present invention also relates to the use of at least one capsule according to the invention, for the recovery of electrons produced by microorganisms, in particular those chosen from: Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum and Enterobacter.
La présente invention concerne également une méthode de récupération d'électrons produits par des micro-organismes, en particulier ceux choisi parmi : Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum et Enterobacter, comprenant la mise en œuvre d'au moins une capsule selon l'invention. The present invention also relates to a method for recovering electrons produced by microorganisms, in particular those chosen from: Escherichia Coli, Geobacter, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum and Enterobacter, comprising the use of at least one capsule according to the invention. invention.
La présente invention concerne également l'utilisation d'une capsule selon l'invention, pour la réalisation d'une anode et/ou d'une cathode de pile à bactéries. The present invention also relates to the use of a capsule according to the invention for the production of an anode and / or a bacterial cell cathode.
En particulier, dans le cadre de cette utilisation, la capsule est connectée électriquement à un autre réservoir. In particular, in the context of this use, the capsule is electrically connected to another tank.
Plus particulièrement, les deux constituants (capsule et réservoir) sont connectés électriquement et séparés par une membrane échangeuse d'ion. More particularly, the two components (capsule and reservoir) are electrically connected and separated by an ion exchange membrane.
Par « réservoir », on entend un volume contenant une espèce oxydoréductrice et une électrode. Ce réservoir complète la capsule, en jouant le rôle d'anode ou de cathode afin que l'ensemble constitue une pile à bactérie c'est-à-dire une anode et une cathode connectées électriquement.
Si le potentiel chimique de la capsule est inférieur à celui du réservoir, la capsule constitue l'anode de la pile. Dans le cas contraire elle constitue la cathode de la pile. By "reservoir" is meant a volume containing a redox species and an electrode. This reservoir completes the capsule, playing the role of anode or cathode so that the assembly constitutes a bacterial cell that is to say an anode and cathode electrically connected. If the chemical potential of the capsule is lower than that of the reservoir, the capsule is the anode of the battery. In the opposite case it constitutes the cathode of the stack.
La présente invention concerne également une méthode de réalisation d'une anode et/ou d'une cathode de pile à bactéries, comprenant la mise en œuvre d'une capsule selon l'invention. The present invention also relates to a method for producing an anode and / or a bacterial cell cathode, comprising the implementation of a capsule according to the invention.
La présente invention concerne également une anode et/ou une cathode de pile à bactéries comprenant une capsule selon l'invention. The present invention also relates to an anode and / or a bacterial cell cathode comprising a capsule according to the invention.
Plus particulièrement, ladite anode et/ou cathode comprend en outre un réservoir tel que susmentionné, la capsule et le réservoir étant connectés électriquement et séparés par une membrane échangeuse d'ion. More particularly, said anode and / or cathode further comprises a reservoir as mentioned above, the capsule and the reservoir being electrically connected and separated by an ion exchange membrane.
Selon un de ces aspects, la présente invention concerne également une méthode de criblage de bactéries électro-actives comprenant la culture de bactéries contenues dans des capsules selon l'invention telles que définies précédemment. According to one of these aspects, the present invention also relates to a method for screening electroactive bacteria comprising culturing bacteria contained in capsules according to the invention as defined above.
Comme démontré dans la partie expérimentale, il est possible d'encapsuler une bactérie par capsule pour créer des cultures monoclonales encapsulées. Il est également possible de mesurer la production de courant électrique généré par une population de bactéries encapsulées dans une capsule à membrane conductrice. La méthode d'encapsulation permet la création de capsules en série. As demonstrated in the experimental part, it is possible to encapsulate one bacterium per capsule to create encapsulated monoclonal cultures. It is also possible to measure the production of electric current generated by a population of bacteria encapsulated in a conductive membrane capsule. The encapsulation method allows the creation of capsules in series.
Le criblage consiste à faire varier un paramètre et à sélectionner une valeur de ce paramètre répondant à un critère prédéfini. La sélection de la valeur du paramètre se fait généralement par une mesure correspondant au critère défini. The screening consists of varying a parameter and selecting a value of this parameter that satisfies a predefined criterion. The selection of the value of the parameter is generally done by a measurement corresponding to the criterion defined.
Dans le cadre de la présente invention, le paramètre : « bactéries électro-actives » varie suivant le critère : « performance électrique ». In the context of the present invention, the parameter: "electroactive bacteria" varies according to the criterion: "electrical performance".
Selon un de ces aspects, une méthode de criblage de bactéries électro-actives selon l'invention comprend: According to one of these aspects, a method for screening electroactive bacteria according to the invention comprises:
a. l'encapsulation de bactéries électro-actives dans les capsules selon l'invention, chaque capsule comprenant une bactérie électro-active; at. encapsulation of electroactive bacteria in the capsules according to the invention, each capsule comprising an electroactive bacterium;
b. l'obtention de colonies monoclonales de bactéries électro-actives; b. obtaining monoclonal colonies of electroactive bacteria;
c. la connexion électrique desdites capsules à un potentiostat; et vs. the electrical connection of said capsules to a potentiostat; and
d. la mesure de la production de courant pour chaque capsule. d. measuring the current output for each capsule.
En particulier, les colonies monoclonales de bactéries électro-actives de l'étape b. résultent de la division desdites bactéries électro-actives dans chaque capsule. In particular, the monoclonal colonies of electroactive bacteria of step b. result from the division of said electroactive bacteria in each capsule.
En particulier, lors de la connexion électrique de l'étape c, les capsules sont placées au potentiel 0,4V par rapport à une électrode Ag(s)/AgCI(s) en présence d'une contre électrode.
En particulier, la méthode de criblage selon l'invention comporte une étape additionnelle e. dans laquelle la colonie monoclonale la plus performante en production électrique est sélectionnée. In particular, during the electrical connection of step c, the capsules are placed at a potential of 0.4 V relative to an Ag (s) / AgCl (s) electrode in the presence of a counter electrode. In particular, the screening method according to the invention comprises an additional step e. in which the best performing monoclonal colony in electrical production is selected.
Les conditions de culture des bactéries électro-actives sont déterminées par l'homme du métier en fonction de chaque bactérie sur la base de ses connaissances générales. The culture conditions of the electroactive bacteria are determined by those skilled in the art according to each bacterium on the basis of his general knowledge.
Dans le cadre de la présente invention, les bactéries sont cultivées dans un milieu de culture comprenant un milieu de culture de base, celui-ci ayant pour caractéristique d'être capable de soutenir la croissance et le développement desdites bactéries, en particulier pour l'obtention d'une lignée monoclonale. Ce type de milieu de culture de base est bien connu de l'homme du métier. On peut citer par exemple le milieu LB Broth ou le milieu 826 de DMSZ. In the context of the present invention, the bacteria are cultured in a culture medium comprising a basic culture medium, the latter having the characteristic of being able to support the growth and development of said bacteria, in particular for the obtaining a monoclonal line. This type of basic culture medium is well known to those skilled in the art. There may be mentioned, for example, LB Broth medium or 822 medium of DMSZ.
Dans le cadre de la présente invention, lorsque la capsule doit comprendre une population monoclonale de bactéries, l'homme du métier pourra utiliser la loi de Poisson pour déterminer la concentration de bactéries à encapsuler pour obtenir une bactérie par capsule: p(k) = P(X = k) = In the context of the present invention, when the capsule must comprise a monoclonal population of bacteria, the skilled person can use the Poisson's law to determine the concentration of bacteria to be encapsulated to obtain a bacterium per capsule: p (k) = P (X = k) =
, dans laquelle : , in which :
- λ est le nombre moyen de bactérie par volume de capsule ; et - λ is the average number of bacteria per capsule volume; and
- P(k) est la probabilité qu'il y ait k bactéries dans une capsule connaissant la valeur de λ. - P (k) is the probability that there are k bacteria in a capsule knowing the value of λ.
La valeur de λ dépend de la concentration C de cellules de la première solution exprimée en nombre de cellules par unité de volume, du diamètre D de la capsule et du rapport rq des débits de la façon suivante : λ = D3xrqxC/6. The value of λ depends on the concentration C of the cells of the first solution, expressed as the number of cells per unit volume, the diameter D of the capsule and the ratio r q of the flow rates, as follows: λ = D 3 xr q xC / 6.
Selon un autre de ces aspects, la présente invention concerne également un dispositif comprenant au moins une capsule selon l'invention et au moins une électrode, ladite au moins une électrode étant en contact avec l'enveloppe gélifiée de ladite au moins une capsule. La présente invention sera illustrée plus en détail par les figures et exemples ci-dessous qui n'en limitent pas la portée. According to another of these aspects, the present invention also relates to a device comprising at least one capsule according to the invention and at least one electrode, said at least one electrode being in contact with the gelled envelope of said at least one capsule. The present invention will be further illustrated by the following figures and examples which do not limit the scope thereof.
FIGURES FIGURES
Figure 1 : Gauche : Montage de formation de la bi-goutte composée de A au cœur et de B autour. Droite : Extrémité de l'injecteur permettant la formation de la bi-goutte. (A) Sortie
pour le mélange A constituant le cœur de la capsule, (B) sortie pour le mélange B constituant la membrane de la future capsule. Figure 1: Left: Formation of formation of the bead composed of A in the heart and B around. Right: Extremity of the injector allowing the formation of the bead drop. (A) Exit for the mixture A constituting the heart of the capsule, (B) outlet for the mixture B constituting the membrane of the future capsule.
Figure 2 : Schéma du montage de fabrication des capsules à cœur liquide et à membrane conductrice (D=3mm, η=350μηι, R=1 ,7mm, H=5cm) Figure 2: Diagram of the manufacturing assembly of the liquid core capsules and conductive membrane (D = 3mm, η = 350μηι, R = 1, 7mm, H = 5cm)
Figure 3 : Capsules à cœur liquide et à membrane conductrice Figure 3: Liquid heart and conductive membrane capsules
Figure 4 : Evolution de la conductivité d'une capsule selon l'invention en fonction du pourcentage massique en nanotubes 4: Evolution of the conductivity of a capsule according to the invention as a function of the mass percentage of nanotubes
Figure 5 : Schéma du montage d'encapsulation de bactéries avec une concentration de la solution de cœur réglée pour avoir une bactérie par capsule (D=3mm, ή=350μηι, R=1 ,7mm, H=5cm) Figure 5: Diagram of the assembly of encapsulation of bacteria with a concentration of the heart solution set to have a bacterium per capsule (D = 3mm, ή = 350μηι, R = 1, 7mm, H = 5cm)
Figure 6 : Montage du dispositif de connexion de la capsule à membrane conductrice et du système d'électrode permettant la mesure du courant extrait de la capsule avec A=PDMS (polydiméthylesiloxane) permettant la compression mécanique de la capsule, B= capsule à membrane conductrice connectée, C=électrode de mesure : fil de platine, D=contre électrode : grille de platine, E=électrode de référence : Fil Ag(S)/AgCI(S) Figure 6: Mounting of the connection device of the conductive membrane capsule and the electrode system for measuring the current extracted from the capsule with A = PDMS (polydimethylsiloxane) for the mechanical compression of the capsule, B = conductive membrane capsule connected, C = measuring electrode: platinum wire, D = counter electrode: platinum gate, E = reference electrode: Ag (S) wire / AgCl (S)
Figure 7 : Montage du dispositif de connexion de la capsule à membrane conductrice et du système d'électrode permettant la mesure du courant extrait de la capsule Figure 7: Mounting of the connection device of the conductive membrane capsule and the electrode system for measuring the current extracted from the capsule
Figure 8 : Evolution temporelle du courant issu d'une capsule à membrane conductrice contenant Geobacter sulfurreducens Figure 8: Temporal evolution of the current from a conductive membrane capsule containing Geobacter sulfurreducens
EXEMPLES EXAMPLES
Protocole de fabrication des capsules à cœur liquide et à membrane conductrice semi-perméable Protocol for manufacturing liquid heart capsules and semi-permeable conductive membrane
Création du mélange qélifiable : Creation of the gélifiable mixture:
Le mélange : 10 mL d'eau milliQ, 150 mg de nanotubes de carbone et 200 mg de SDS est dispersé sous ultrasons pendant 1 h15 avec un sonicateur Vibracell 75042 Bioblock Scientific selon les paramètres suivant : Puissance = 35%Pmax ; Puise : 3s on, 1 s off. La poudre d'alginate LF200FTS, 1 % en masse, est ensuite ajoutée à la dispersion puis le tout est mis sous agitation magnétique pendant 12h afin d'obtenir la solution gélifiable. The mixture: 10 mL of milliQ water, 150 mg of carbon nanotubes and 200 mg of SDS is dispersed under ultrasound for 1 h 15 with a Vibracell 75042 Bioblock Scientific sonicator according to the following parameters: Power = 35% Pmax; Puise: 3s on, 1 s off. The alginate powder LF200FTS, 1% by weight, is then added to the dispersion and then the whole is stirred magnetically for 12 hours in order to obtain the gelling solution.
Création du mélange à encapsuler : Creation of the mixture to encapsulate:
Le mélange : 25 mL d'eau milliQ, 5,1 g de polyéthylène glycol de masse molaire moyenne 3350 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) et 135mg de NaCI sont mélangés sous agitation magnétique pendant 3h. The mixture: 25 mL of milliQ water, 5.1 g of polyethylene glycol of average molecular weight 3350 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) and 135 mg of NaCl are mixed with magnetic stirring for 3 h.
Création du bain de gélification : Creation of the gelation bath:
1 L d'eau milliQ, 10g de CaCI2, 50μ\- de tween20 à 10% en masse sont mélangés sous agitation magnétique pendant 3h.
Création de la capsule : 1 l of milliQ water, 10 g of CaCl 2, 50 μl of tween 20 at 10% by weight are mixed with magnetic stirring for 3 h. Creation of the capsule:
Une bi-goutte est créée avec le dispositif présenté en figures 1 et 2 selon la méthode décrite dans WO2010/063937. A two-drop is created with the device shown in Figures 1 and 2 according to the method described in WO2010 / 063937.
Le mélange à encapsuler est placé dans la seringue A, il sortira du centre de l'injecteur (A) pour constituer le cœur de la future capsule. The mixture to be encapsulated is placed in the syringe A, it will leave the center of the injector (A) to form the heart of the future capsule.
Le mélange gélifiable est placé dans la seringue B, il sortira du bord de l'injecteur (B) pour constituer la membrane de la future capsule. The gélifiable mixture is placed in the syringe B, it will leave the edge of the injector (B) to form the membrane of the future capsule.
La création de la bi-goutte et ses paramètres sont contrôlés en contrôlant les débits des deux solutions (cœur et extérieur) via des pousses-seringues. Le débit de la seringue A est de 5ml_/h, le débit de la seringue B est 5mL/h. The creation of the dual-dropper and its parameters are controlled by controlling the flow rates of the two solutions (heart and exterior) via syringe shoots. The flow rate of the syringe A is 5 ml / h, the flow rate of the syringe B is 5 ml / h.
La bi-goutte est ensuite gélifiée en la faisant tomber dans le bain de gélification. La solution extérieure gélifie (l'alginate gélifie) et enferme le cœur liquide de la bi-goutte. La capsule est créée telle qu'illustrée en figure 3. La capsule est laissée dans le bain de gélification pendant 1 h. The bead drop is then gelled by dropping it into the gelling bath. The outer solution gels (alginate gels) and encloses the liquid heart of the bead. The capsule is created as shown in Figure 3. The capsule is left in the gel bath for 1 h.
Description de la capsule : Description of the capsule:
Les débits pour la formation de la capsule sont de 5ml_/h pour la solution extérieure (membrane) et de 5mL/h pour la solution intérieure (cœur). The flow rates for capsule formation are 5 ml / h for the outer solution (membrane) and 5 ml / h for the inner solution (core).
L'injecteur a un diamètre de 3mm (D), il est placé à 5cm au-dessus du bain de gélification (H). The injector has a diameter of 3mm (D), it is placed at 5cm above the gelation bath (H).
Pour ces débits, la capsule finale à un diamètre de 1 ,7mm (R), avec une membrane de 350μηι d'épaisseur moyenne (h). Le cœur de la capsule a un volume de 1 1 μ . For these flow rates, the final capsule has a diameter of 1, 7mm (R), with a membrane of 350μηι average thickness (h). The heart of the capsule has a volume of 1 1 μ.
Caractérisation de la conductivité du mélange gélifiable Characterization of the conductivity of the gélifiable mixture
L'évolution de la conductivité du mélange gélifiable est mesurée à l'aide d'un impédancemètre (Materials Mate 7260) sur des billes de gels pleines à 10kHz, en fonction du pourcentage massique en nanotubes. The evolution of the conductivity of the gélifiable mixture is measured using an impedance meter (Materials Mate 7260) on solid gel beads at 10 kHz, as a function of the mass percentage of nanotubes.
Création des mélanges gélifiable : Creation of gelifiable mixtures:
Le protocole de création des mélanges à différents pourcentages massique en nanotubes de carbone est le même que celui du protocole de création du mélange gélifiable de la création des capsules. Seule la masse de nanotubes change. 5 mélanges différents sont réalisés avec les masses de nanotubes suivantes : 0 ; 50 ; 100 ; 150 ; 200 mg correspondant respectivement aux pourcentages suivants : 0 ; 0,5 ;1 ; 1 ,5 ; 2% en masse. The protocol for creating mixtures with different mass percentages of carbon nanotubes is the same as that of the protocol for creating the gelling mixture of the creation of the capsules. Only the mass of nanotubes changes. 5 different mixtures are made with the following masses of nanotubes: 0; 50; 100; 150; 200 mg corresponding respectively to the following percentages: 0; 0.5; 1; 1, 5; 2% by mass.
Création des billes de gels : Creation of the gel beads:
A l'aide d'une pipette pasteur plastique VWR de 7mL, les mélanges gélifiables sont faits goutter d'une hauteur de 5 cm dans le bain de gélification (identique à celui décrit précédemment). Les billes sont laissées à gélifier pendant 24h dans le bain. Les billes
sont ensuite équilibrées dans une solution de CaCI2 à 1 mM pendant 48h pour dialyser le SDS présent dans le mélange gélifiable. Using a VWR plastic pasteur pipette of 7 ml, the gelling mixtures are dripped from a height of 5 cm into the gelling bath (identical to that described above). The beads are allowed to gel for 24 hours in the bath. The marbles are then equilibrated in a solution of CaCl 2 at 1 mM for 48 hours to dialyze the SDS present in the gélifiable mixture.
Des billes pleines de 3 mm de diamètre composées de 1 % en masse d'alginate et de pourcentages massique de nanotubes de carbones variables sont ainsi obtenues. 3 mm diameter solid balls composed of 1% by weight of alginate and mass percentages of variable carbon nanotubes are thus obtained.
Protocole de mesure : Measurement protocol:
Pour mesurer la conductivité, une bille est placée entre deux vis de 3mm de diamètres distantes de 2,7mm, connectée à l'impédancemètre. La conductivité à 10 kHz est mesurée. To measure the conductivity, a ball is placed between two screws of 3mm diameter 2.7mm apart, connected to the impedance meter. The conductivity at 10 kHz is measured.
Les résultats sont présentés en figure 4. The results are shown in Figure 4.
Les résultats montrent une augmentation de la conductivité du gel avec l'ajout des nanotubes. L'ajout de nanotubes de carbones permet d'augmenter jusqu'à 100 fois la conductivité de l'hydrogel. The results show an increase in the conductivity of the gel with the addition of the nanotubes. The addition of carbon nanotubes makes it possible to increase the conductivity of the hydrogel up to 100 times.
Protocole de fabrication de capsules comprenant des bactéries pour cultures monoclonales. Protocol for manufacturing capsules comprising bacteria for monoclonal cultures.
Pour l'encapsulation des bactéries, l'ensemble des solutions utilisées sont stérilisés par filtration à 0,2μηι. Le dispositif d'encapsulation est stérilisé thermiquement à 121 °C pendant 20 minutes par une autoclave (JSM table top sterilizer). For the encapsulation of bacteria, all the solutions used are sterilized by 0.2μηι filtration. The encapsulation device is thermally sterilized at 121 ° C. for 20 minutes by an autoclave (JSM table top sterilizer).
Création du mélange gélifiable : Creation of the gélifiable mixture:
1 .7% en masse d'alginate LF200FTS et 5mM de SDS sont dissous dans 10 mL d'eau milliQ puis mis sous agitation magnétique pendant 12h pour obtenir le mélange gélifiable. 1 .7% by weight of alginate LF200FTS and 5mM of SDS are dissolved in 10 ml of milliQ water and then stirred magnetically for 12 hours to obtain the gellable mixture.
Création du bain de gélification : Creation of the gelation bath:
1 L d'eau milliQ, 10g de CaCI2, 50μ\- de tween20 à 10% en masse sont mélangés sous agitation magnétique pendant 3h. 1 l of milliQ water, 10 g of CaCl 2, 50 μl of tween 20 at 10% by weight are mixed with magnetic stirring for 3 h.
Encapsulation monoclonale : Détermination de la concentration monoclonale permettant d'avoir une (ou moins) bactérie par capsule. Monoclonal Encapsulation: Determination of the monoclonal concentration allowing to have one (or less) bacterium per capsule.
Pour préparer la solution de bactéries à la concentration monoclonale, la loi de Poisson est utilisée: p(k) P(x k) fc! e |aqUelle : To prepare the bacteria solution at the monoclonal concentration, the Poisson's law is used: p (k) P (xk) fc! e | a q U it:
- λ est le nombre moyen de bactérie par volume de capsule ; - λ is the average number of bacteria per capsule volume;
- P(k) est la probabilité qu'il y ait k bactéries dans une capsule connaissant la valeur de λ ; et - P (k) is the probability that there are k bacteria in a capsule knowing the value of λ; and
- le volume du cœur d'une capsule est de 1 1 μ . the volume of the heart of a capsule is 1 1 μ.
Ainsi, en appliquant cette loi avec 0,1 bactérie par capsule (9 bactéries/m L), 90% des capsules sont sans bactérie (p(0)), 9% des capsules obtenues sont monoclonales, c'est à
dire avec une bactérie (p(1 )), moins de 0.5% des capsules obtenues sont avec deux bactéries (p(2)) et moins 0.02% des capsules obtenues sont avec 3 bactéries, etc. Thus, by applying this law with 0.1 bacteria per capsule (9 bacteria / m L), 90% of the capsules are without bacteria (p (0)), 9% of the capsules obtained are monoclonal, it is up to say with a bacterium (p (1)), less than 0.5% of the capsules obtained are with two bacteria (p (2)) and less 0.02% of the capsules obtained are with 3 bacteria, etc.
Ce protocole permet ainsi d'obtenir des capsules monoclonales avec un risque faible d'avoir des capsules contenant des bactéries issues d'une encapsulation non monoclonale (5% des capsules contenant des bactéries). This protocol thus makes it possible to obtain monoclonal capsules with a low risk of having capsules containing bacteria resulting from a non-monoclonal encapsulation (5% of the capsules containing bacteria).
Création du mélange bactérien à encapsuler : Creation of the bacterial mixture to encapsulate:
Le mélange : 8,3mL d'eau milliQ, 1 ,7g de polyéthylène glycol de masse molaire moyenne 3500 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) et 45mg de NaCI sont mélangés sous agitation magnétique pendant 3h. On y ajoute ensuite 1 mL de solution bactérienne composée de la bactérie à la concentration de 84 bactéries par millilitre dans son milieu de culture (voir ci-dessous). The mixture: 8.3 ml of milliQ water, 1.7 g of polyethylene glycol of average molecular weight 3500 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) and 45 mg of NaCl are mixed with magnetic stirring for 3 h. Then 1 ml of bacterial solution consisting of the bacteria is added to the concentration of 84 bacteria per milliliter in its culture medium (see below).
Ainsi, une solution bactérienne comprenant des bactéries E.coli est préparée de la façon suivante : 2\xL d'une souche de bactéries E.coli MC4100 YFP conservé à -80°C est ajouté à 10mL de LB Broth (Sigma). Le mélange est mis en culture sous agitation circulaire pendant 12h à 37°C. A 12h, la concentration en bactérie est évaluée par une mesure d'absorbance à 600nm. La différence de densité optique observée à 600nm entre le milieu LB Broth et la culture bactérienne (Delta.D.O en unité de densité optique) permet d'obtenir la concentration en bactérie par millilitre via la formule : Concentration= Delta.D.O * 4.108 bactéries/mL. Cette culture est ensuite diluée par dilutions successives dans du LB Broth pour atteindre la concentration de 84 bactéries/mL. Thus, a bacterial solution comprising E. coli bacteria is prepared as follows: 2 μL of an E. coli strain MC4100 YFP stored at -80 ° C. is added to 10 ml of LB Broth (Sigma). The mixture is cultured with circular stirring for 12 hours at 37 ° C. At 12h, the bacterial concentration is evaluated by an absorbance measurement at 600 nm. The difference in optical density observed at 600nm between the LB Broth medium and the bacterial culture (Delta.DO in optical density unit) makes it possible to obtain the concentration of bacteria per milliliter via the formula: Concentration = Delta.DO * 4.10 8 bacteria / mL. This culture is then diluted by successive dilutions in LB Broth to reach the concentration of 84 bacteria / ml.
Ainsi, une solution bactérienne comprenant des bactéries Geobacter est préparée de la façon suivante : 1 mL d'une souche de bactéries Geobacter Sulfurreducens fournie par DMSZ est ajouté à 9mL de son milieu spécifique (milieu 826 DMSZ) dans un tube hungate de 12 mL sous anaérobie à 30°C pendant 4 jours. A 4 jours, la concentration en bactérie est évaluée par une mesure d'absorbance à 600nm. La différence de densité optique observée à 600nm entre le milieu de culture 826 et la culture bactérienne (Delta.D.O en unité de densité optique) permet d'obtenir la concentration en bactérie par millilitre via la formule : Concentration = Delta.D.O * 4.108 bactéries/mL. Cette culture est ensuite diluée par dilutions successives dans du milieu 826 pour atteindre la concentration de 84 bactéries/mL. Thus, a bacterial solution comprising Geobacter bacteria is prepared in the following manner: 1 ml of a strain of bacteria Geobacter Sulfurreducens supplied by DMSZ is added to 9 ml of its specific medium (826 DMSZ medium) in a hungate tube of 12 ml under anaerobic at 30 ° C for 4 days. At 4 days, the bacteria concentration is evaluated by an absorbance measurement at 600 nm. The difference in optical density observed at 600nm between the culture medium 826 and the bacterial culture (Delta.DO in optical density unit) makes it possible to obtain the concentration of bacteria per milliliter via the formula: Concentration = Delta.DO * 4.10 8 bacteria / mL. This culture is then diluted by successive dilutions in medium 826 to reach the concentration of 84 bacteria / ml.
Création de la capsule de culture monoclonale : Creation of the monoclonal culture capsule:
Une bi-goutte est créée avec le dispositif présenté dans les figures 1 et 5 selon la méthode décrite dans WO2010/063937. A two-drop is created with the device shown in Figures 1 and 5 according to the method described in WO2010 / 063937.
Le mélange bactérien à encapsuler (préparé au choix avec des bactéries E.Coli ou Geobacter comme indiqué dans le paragraphe précédent) est placé dans la seringue A, il sortira du centre de l'injecteur (A) pour constituer le cœur de la future capsule.
Le mélange gélifiable est placé dans la seringue B, il sortira du bord de l'injecteur (B) pour constituer la membrane de la future capsule. The bacterial mixture to be encapsulated (prepared with E. coli or Geobacter bacteria as indicated in the previous paragraph) is placed in the syringe A, it will leave the center of the injector (A) to form the heart of the future capsule . The gélifiable mixture is placed in the syringe B, it will leave the edge of the injector (B) to form the membrane of the future capsule.
La création de la bi-goutte et ses paramètres sont contrôlés en contrôlant les débits des deux solutions (cœur et extérieur) via des pousses-seringues. Le débit de la seringue A est de 5ml_/h, le débit de la seringue B est 5mL/h. The creation of the dual-dropper and its parameters are controlled by controlling the flow rates of the two solutions (heart and exterior) via syringe shoots. The flow rate of the syringe A is 5 ml / h, the flow rate of the syringe B is 5 ml / h.
La bi-goutte est ensuite gélifiée en la faisant tomber dans le bain de gélification. La solution extérieure gélifie (l'alginate gélifie) et enferme le cœur liquide de la bi-goutte. La capsule est créée. La capsule est laissée dans le bain de gélification pendant 15min. Les capsules sont ensuite mises en culture dans le milieu de culture de la bactérie encapsulée (cf paragraphe précédent) additionné de 5mM de Cacl2, et dans les conditions de culture applicables à la bactérie encapsulée. Après l'incubation, on obtient des capsules remplies de bactéries. The bead drop is then gelled by dropping it into the gelling bath. The outer solution gels (alginate gels) and encloses the liquid heart of the bead. The capsule is created. The capsule is left in the gel bath for 15min. The capsules are then cultured in the culture medium of the encapsulated bacterium (cf previous paragraph) supplemented with 5 mM of Cacl2, and under the culture conditions applicable to the encapsulated bacterium. After the incubation, capsules filled with bacteria are obtained.
Les résultats de l'encapsulation monoclonale sont présentés dans le tableau 1 ci- dessous. The results of the monoclonal encapsulation are shown in Table 1 below.
Tableau 1 : Table 1:
Protocole de fabrication des capsules à cœur liquide et à membrane conductrice semi-perméable enfermant Geobacter et dispositif de connexion pour la récupération d'électrons produits par les bactéries encapsulées Protocol for the manufacture of Geobacter-enclosed semi-permeable conductive membrane liquid-core capsules and connection device for the recovery of electrons produced by encapsulated bacteria
Création du mélange gélifiable Creation of the gélifiable mixture
Le mélange : 10 mL d'eau milliQ, 200 mg de nanotubes de carbone et 150 mg de Brij35 est dispersé sous ultrasons pendant 1 h15 avec un sonicateur Vibracell 75042 Bioblock Scientific selon les paramètres suivant : Puissance = 35%Pmax ; Puise : 3s on, 1 s off. La poudre d'alginate LF200FTS, 1 ,5% en masse, est ensuite ajoutée à la dispersion puis le
tout est mis sous agitation magnétique pendant 12h. 1 mM de SDS est ajouté sous agitation magnétique afin d'obtenir la solution gélifiable. The mixture: 10 mL of milliQ water, 200 mg of carbon nanotubes and 150 mg of Brij35 is dispersed under ultrasound for 1 h 15 with a Vibracell 75042 Bioblock Scientific sonicator according to the following parameters: Power = 35% Pmax; Puise: 3s on, 1 s off. The alginate powder LF200FTS, 1.5% by weight, is then added to the dispersion and then everything is stirred magnetically for 12 hours. 1 mM SDS is added with magnetic stirring to obtain the gelling solution.
Création du mélange à encapsuler contenant Geobacter Sulfurreducens Creation of the encapsulating mixture containing Geobacter Sulfurreducens
D'une part le mélange suivant est préparé : 25 ml_ d'eau milliQ, 5.1 g de Polyéthylène glycol de masse molaire moyenne 3350 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) et 135 mg de NaCI sont mélangés sous agitation magnétique pendant 3h. On the one hand the following mixture is prepared: 25 ml of milliQ water, 5.1 g of polyethylene glycol of average molar mass 3350 (PEG 3350 CAS 25322-68-3 Sigma Aldrich) and 135 mg of NaCl are mixed with magnetic stirring during 3h.
D'autre part, une solution bactérienne comprenant des bactéries Geobacter est préparée de la façon suivante : On the other hand, a bacterial solution comprising Geobacter bacteria is prepared as follows:
1 ml_ d'une souche de bactéries Geobacter Sulfurreducens fournie par DMSZ est ajouté à 9 ml_ de son milieu spécifique (milieu 826 DMSZ) dans un tube hungate de 12 mL sous anaérobie à 30°C pendant 4 jours. A 4 jours, la concentration en bactérie est évaluée par une mesure d'absorbance à 600nm. La différence de densité optique observée à 600nm entre le milieu 826 et la culture bactérienne (Delta.D.O en unité de densité optique) donne la concentration en bactérie par millilitre via la formule : Concentration = Delta.D.O * 4.108 Bac/mL. Cette culture de Geobacter est diluée au 20eme dans cette solution. Le mélange bactérien à encapsuler est alors obtenu. 1 ml of a strain of Geobacter Sulfurreducens bacteria supplied by DMSZ is added to 9 ml of its specific medium (826 DMSZ medium) in a 12 ml hungate tube under anaerobic conditions at 30 ° C. for 4 days. At 4 days, the bacteria concentration is evaluated by an absorbance measurement at 600 nm. The difference in optical density observed at 600nm between medium 826 and the bacterial culture (Delta.DO in optical density unit) gives the bacterial concentration per milliliter via the formula: Concentration = Delta.DO * 4.108 Bac / ml. This culture of Geobacter is diluted to 20 th in this solution. The bacterial mixture to be encapsulated is then obtained.
Création du bain de qélification Creation of the qélification bath
1 L d'eau milliQ, 10 g de CaCI2, 50 μ\- de tween20 à 10% en masse sont mélangés sous agitation magnétique pendant 3h. Création de la capsule 1 L of milliQ water, 10 g of CaCl 2, 50 μl of tween 20 to 10% by weight are mixed with magnetic stirring for 3 hours. Creation of the capsule
Une bi-goutte est créée avec le dispositif présenté dans les figures 1 et 2. A drip is created with the device shown in Figures 1 and 2.
Le mélange à encapsuler est placé dans la seringue A, il sortira du centre de l'injecteur (A) pour constituer le cœur de la future capsule. The mixture to be encapsulated is placed in the syringe A, it will leave the center of the injector (A) to form the heart of the future capsule.
Le mélange gélifiable est placé dans la seringue B, il sortira du bord de l'injecteur (B) pour constituer la membrane de la future capsule. The gélifiable mixture is placed in the syringe B, it will leave the edge of the injector (B) to form the membrane of the future capsule.
La création de la bi-goutte et ses paramètres sont contrôlés en contrôlant les débits des deux solutions (cœur et extérieur) via des pousses-seringues. Le débit de la seringue A est de 5ml_/h, le débit de la seringue B est 4mL/h. The creation of the dual-dropper and its parameters are controlled by controlling the flow rates of the two solutions (heart and exterior) via syringe shoots. The flow rate of the syringe A is 5 ml / h, the flow rate of the syringe B is 4 ml / h.
La bi-goutte est ensuite gélifiée en la faisant tomber dans le bain de gélification. La solution extérieure gélifie (l'alginate gélifie) et enferme le cœur liquide de la bi-goutte. La
capsule est créée telle qu'illustrée en figure 2. La capsule est laissée dans le bain de gélification pendant 3 minutes. The bead drop is then gelled by dropping it into the gelling bath. The outer solution gels (alginate gels) and encloses the liquid heart of the bead. The capsule is created as shown in Figure 2. The capsule is left in the gel bath for 3 minutes.
La capsule est ensuite transférée dans le milieu spécifique de Geobacter. La culture est conservée pendant 4 jours sous anaérobie à 25 degrés Celsius. Le milieu n'est pas tamponné en surfactants utilisés dans la formulation du mélange gélifiable. Par dialyse, le surfactant se désorbe de la surface des nanotubes. Non stabilisés, les nanotubes se connectent entre eux et créent un réseau conducteur au sein de la membrane d'hydrogel. The capsule is then transferred to the specific medium of Geobacter. The culture is kept for 4 days under anaerobic at 25 degrees Celsius. The medium is not buffered with surfactants used in the formulation of the gelling mixture. By dialysis, the surfactant is desorbed from the surface of the nanotubes. Unstabilized, the nanotubes connect to each other and create a conductive network within the hydrogel membrane.
Dispositif de connexion électrique de la capsule Device for the electrical connection of the capsule
Le dispositif est constitué de trois électrodes : une électrode de référence en chlorure d'argent (Ag(s)/AgCI(s)), une contre électrode composée d'une grille de platine et une électrode de mesure composée d'un fil de platine. Ces trois électrodes sont connectées à un potentiostat qui permet leur mise sous potentiel. L'électrode de mesure permet la connexion d'une capsule par une légère compression physique comme illustré par la figure 5 et la figure 6. Les trois électrodes sont immergées dans un milieu 826 DMSZ sans fumarate de sodium. The device consists of three electrodes: a reference electrode silver chloride (Ag (s) / AgCl (s)), a counter electrode composed of a platinum grid and a measuring electrode composed of a wire of platinum. These three electrodes are connected to a potentiostat which allows them to be put under potential. The measuring electrode allows the connection of a capsule by a slight physical compression as illustrated in Figure 5 and Figure 6. The three electrodes are immersed in 826 DMSZ medium without sodium fumarate.
Connexion de la capsule et récupération du courant Capsule connection and current recovery
Après 4 jours, la capsule est positionnée dans le dispositif de connexion décrit ci-dessus, dans un environnement sous anaérobie. La capsule est mise sous potentiel à 0,4V. Le courant est suivi par chronoampérométrie. La figure 7 montre l'évolution du courant en fonction du temps sans capsule (environ 4*10-8 A), puis après l'ajout d'une capsule à membrane conductrice contenant Geobacter dans le dispositif de connexion. After 4 days, the capsule is positioned in the connection device described above, in an anaerobic environment. The capsule is put under potential at 0.4V. The current is followed by chronoamperometry. Figure 7 shows the evolution of the current as a function of time without capsule (approximately 4 * 10-8 A), then after the addition of a conductive membrane capsule containing Geobacter in the connection device.
Le courant atteint une valeur de 1 ,7*10"5 A. The current reaches a value of 1, 7 * 10 "5 A.
A la fin de l'expérience, la capsule est détruite dans du milieu spécifique à Geobacter (milieu 826 DMSZ). Les bactéries encapsulées sont ainsi récupérées. La concentration en bactérie est estimée par une mesure de densité optique. At the end of the experiment, the capsule is destroyed in Geobacter specific medium (826 DMSZ medium). The encapsulated bacteria are thus recovered. The concentration of bacteria is estimated by an optical density measurement.
La concentration en bactérie à l'intérieur de la capsule est de l'ordre de 6.109 bac/mL. The concentration of bacteria inside the capsule is of the order of 6.10 9 bac / mL.
Ainsi, la capsule selon l'invention présente de nombreux avantages : Thus, the capsule according to the invention has many advantages:
Parallélisation possible et non limitée ; Parallelization possible and not limited;
- Croissance au temps long ;
Récupération simplifiée de la totalité de la population cultivée (pas de centrifugation) ; - Growth at long time; Simplified recovery of the entire cultivated population (no centrifugation);
Encapsulation possible d'un seul micro-organisme ; Possible encapsulation of a single microorganism;
Possibilité d'actions de type électrique sur l'organisme encapsulé ; Possibility of electrical type actions on the encapsulated organism;
- Manipulation simplifiée de la culture ; et - Simplified manipulation of the culture; and
- bioréacteur dissocié du système de mesure courant.
- bioreactor dissociated from the current measurement system.
Claims
1 . Capsule comprenant un cœur liquide, une enveloppe gélifiée encapsulant totalement le cœur liquide à sa périphérie, l'enveloppe gélifiée étant propre à retenir le cœur liquide lorsque la capsule est plongée dans un gaz, une solution aqueuse ou une huile, l'enveloppe gélifiée comprenant au moins un polyélectrolyte gélifié et au moins un agent tensioactif, caractérisée en ce que l'enveloppe gélifiée comprend en outre un matériau conducteur électrique. 1. Capsule comprising a liquid core, a gelled envelope completely encapsulating the liquid core at its periphery, the gelled envelope being adapted to retain the liquid heart when the capsule is immersed in a gas, an aqueous solution or an oil, the gelled envelope comprising at least one gelled polyelectrolyte and at least one surfactant, characterized in that the gelled envelope further comprises an electrically conductive material.
2. Capsule selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle est obtenue par la mise en œuvre d'un procédé comprenant les étapes suivantes de : 2. Capsule according to claim 1, characterized in that it is obtained by the implementation of a method comprising the following steps of:
e) convoyage séparé dans une double enveloppe d'une première solution liquide aqueuse ou huileuse et d'une deuxième solution liquide contenant un polyélectrolyte liquide propre à gélifier et le matériau conducteur électrique ; e) separated conveying in a double jacket of a first aqueous or oily liquid solution and a second liquid solution containing a liquid polyelectrolyte suitable for gelling and the electrically conductive material;
f) formation, à la sortie de la double enveloppe, d'une série de gouttes, chaque goutte comprenant un noyau central formé de ladite première solution et une pellicule périphérique formée de ladite deuxième solution et recouvrant totalement le noyau central ; f) forming, at the exit of the jacket, a series of drops, each drop comprising a central core formed of said first solution and a peripheral film formed of said second solution and completely covering the central core;
g) immersion de chaque goutte dans une solution gélifiante contenant un réactif propre à réagir avec le polyélectrolyte de la pellicule pour le faire passer d'un état liquide à un état gélifié et former l'enveloppe gélifiée comprenant le matériau conducteur électrique, le noyau central formant le cœur liquide ; g) immersing each drop in a gelling solution containing a reagent capable of reacting with the polyelectrolyte of the film to change it from a liquid state to a gelled state and forming the gelled envelope comprising the electrically conductive material, the central core forming the liquid heart;
h) récupération des capsules formées ; h) recovery of formed capsules;
la deuxième solution contenant au moins un agent tensioactif avant son contact avec la première solution et donc avant son contact avec la solution gélifiante. the second solution containing at least one surfactant prior to contact with the first solution and therefore before contact with the gelling solution.
3. Capsule selon la revendication 2, dans laquelle ladite deuxième solution liquide contenant un polyélectrolyte liquide propre à gélifier et le matériau conducteur mentionnée à l'étape a) du procédé est formée par la mise en contact du matériau conducteur électrique sous forme dispersée et du polyélectrolyte propre à gélifier. The capsule according to claim 2, wherein said second liquid solution containing a clean liquid polyelectrolyte to be gelated and the conductive material mentioned in step a) of the process is formed by contacting the electrically conductive material in dispersed form and the polyelectrolyte clean to gel.
4. Capsule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une enveloppe intermédiaire encapsulant totalement à
sa périphérie le cœur liquide, ladite enveloppe intermédiaire étant elle-même encapsulée totalement à sa périphérie par l'enveloppe gélifiée. 4. Capsule according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it further comprises an intermediate envelope encapsulating completely to its periphery the liquid core, said intermediate envelope itself being completely encapsulated at its periphery by the gelled envelope.
5. Capsule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le cœur liquide comprend au moins un objet électro-actif. 5. Capsule according to any one of claims 1 to 4, wherein the liquid core comprises at least one electro-active object.
6. Capsule selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau conducteur électrique consiste en des particules solides électriquement conductrices. 6. Capsule according to any one of the preceding claims, wherein the electrically conductive material consists of electrically conductive solid particles.
7. Capsule selon la revendication 6, dans laquelle lesdites particules solides électriquement conductrices sont choisies parmi les nanotubes de carbone, le noir de carbone, le graphène. 7. Capsule according to claim 6, wherein said solid electrically conductive particles are selected from carbon nanotubes, carbon black, graphene.
8. Capsule selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans laquelle l'enveloppe gélifiée est formée par un hydrogel de polysaccharide gélifié par ions divalents comprenant lesdites particules solides électriquement conductrices sous forme dispersées et connectées formant ainsi un réseau électriquement conducteur. 8. Capsule according to any one of claims 6 or 7, wherein the gelled envelope is formed by a divalent ion gelled polysaccharide hydrogel comprising said solid electrically conductive particles in dispersed and connected form thereby forming an electrically conductive network.
9. Capsule selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit matériau conducteur électrique est biocompatible. The capsule of any preceding claim, wherein said electrically conductive material is biocompatible.
10. Capsule selon la revendication 5, dans laquelle ledit objet électroactif est choisi parmi les micro-organismes, les cellules, les macromolécules et les particules solides électroactives. The capsule of claim 5, wherein said electroactive object is selected from microorganisms, cells, macromolecules and electroactive solid particles.
1 1 . Capsule selon la revendication 10, dans laquelle ledit micro-organisme est choisi parmi les bactéries du genre Escherichia Coli, Geobacter, Shewanella, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum, Enterobacter. 1 1. The capsule of claim 10, wherein said microorganism is selected from bacteria of the genus Escherichia coli, Geobacter, Shewanella, Rhodopseudomonas, Ochrobactrum, Enterobacter.
12. Utilisation d'au moins une capsule selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , pour la production de bioréacteurs.
12. Use of at least one capsule according to any one of claims 1 to 1 1, for the production of bioreactors.
13. Utilisation d'au moins une capsule selon l'une quelconque des revendications 10 à 1 1 , pour le criblage de micro-organismes, en particulier de microorganismes électro-actifs. 13. Use of at least one capsule according to any one of claims 10 to 1 1, for the screening of microorganisms, in particular electro-active microorganisms.
14. Utilisation d'au moins une capsule selon l'une quelconque des revendications 10 à 1 1 , pour la récupération d'électrons produits par des micro-organismes. 14. Use of at least one capsule according to any one of claims 10 to 1 1, for the recovery of electrons produced by microorganisms.
15. Utilisation d'au moins une capsule selon l'une quelconque des revendications 10 à 1 1 , pour la réalisation d'une anode et/ou d'une cathode de pile à bactéries. 15. Use of at least one capsule according to any one of claims 10 to 1 1, for the production of an anode and / or a bacterial cell cathode.
16. Méthode de criblage de bactéries électro-actives comprenant la culture de bactéries contenues dans des capsules telles que définies dans l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 par : 16. A method of screening for electroactive bacteria comprising culturing bacteria contained in capsules as defined in any one of claims 1 to 11 by:
a. l'encapsulation de bactéries électro-actives dans les capsules selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , chaque capsule comprenant une bactérie électro-active ; at. encapsulating electroactive bacteria in the capsules according to any one of claims 1 to 1 1, each capsule comprising an electroactive bacterium;
b. l'obtention de colonies monoclonales de bactéries électro-actives ; b. obtaining monoclonal colonies of electroactive bacteria;
c. la connexion électrique desdites capsules à un potentiostat ; et vs. the electrical connection of said capsules to a potentiostat; and
d. la mesure de la production de courant pour chaque capsule. d. measuring the current output for each capsule.
17. Dispositif comprenant au moins une capsule selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 et au moins une électrode, ladite au moins une électrode étant en contact avec l'enveloppe gélifiée de ladite au moins une capsule.
17. Device comprising at least one capsule according to any one of claims 1 to 1 1 and at least one electrode, said at least one electrode being in contact with the gelled envelope of said at least one capsule.
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