Etude de l'intéraction nanoparticules-bactéries : application à l'élaboration d'un biocapteur

Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL.Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL

Study of the interactions between nanoparticles and bacteria : application in the design of a biosensor for bacteria detection

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL.Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL

Study of the interactions between nanoparticles and bacteria : application in the design of a biosensor for bacteria detection

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL.Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL

Study of the interactions between nanoparticles and bacteria : application in the design of a biosensor for bacteria detection

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL.Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL

Study of the interactions between nanoparticles and bacteria : application in the design of a biosensor for bacteria detection

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL.Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL

Influence of oxidized lipids on palmitoyl-oleoyl-phosphatidylcholine organization, contribution of Langmuir monolayers and Langmuir–Blodgett films

In this work, we studied the interaction of two oxidized lipids, PoxnoPC and PazePC, with POPC phospholipid. Mean molecular areas obtained from (π–A) isotherms of mixed PoxnoPC–POPC and PazePC–POPC monolayers revealed different behaviors of these two oxidized lipids: the presence of PoxnoPC in the monolayers induces their expansion, mean molecular areas being higher than those expected in the case of ideal mixtures. PazePC–POPC behave on the whole ideally. This difference can be explained by a different conformation of oxidized lipids. Moreover the carboxylic function of PazePC is protonated under our experimental conditions, as shown by (π–A) isotherms of PazePC at different pH values. Both oxidized lipids induce also an increase of the monolayer elasticity, PoxnoPC being slightly more efficient than PazePC. These monolayers were transferred from the air–water interface onto mica supports for a study by AFM. AFM images are on the whole homogenous, suggesting the presence of only one lipid phase in both cases. However, in the case of PazePC–POPC monolayers, AFM images show also the presence of areas thicker of 7 nm to 10 nm than the surrounding lipid phase, probably due to the local formation of multilayer systems induced by compression

Silica nanoparticles-assisted electrochemical biosensor for the rapid, sensitive and specific detection of Escherichia coli

To face the emerging issues raised by bacterial infections in biomedical, food and environmental contexts, the combination of nanotechnologies and biosensors characteristics is increasingly seen as a promising tool to develop rapid, highly sensitive and specific devices for reliable bacterial detection and quantification. We present here the design of an electrochemical immuno-biosensor, integrating non cytotoxic silica nanoparticles (NPs), in a two-step spin coating process. Unlike biosensors that integrate a unique antibody-based layer without NPs, this new tool allows, through cyclic voltammetry measurements, the continuous and non-saturated detection of E. coli bacteria in only 5 min. and can reach up to 103 CFU/mL in 30 min. It offers great promises for industrial purposes as electrode functionalization is rather simple and its architecture can be tuned on demand to target a variety of micro-organisms, and the highlighted indicators (variations of current intensity, intensity ratios and/or difference of potentials) can easily be implemented in a screen displayed packaging

Historical perspective Probing the threshold of membrane damage and cytotoxicity effects induced by silica nanoparticles in Escherichia coli bacteria

The engineering of nanomaterials, because of their specific properties, is increasingly being developed for commercial purposes over the past decades, to enhance diagnosis, cosmetics properties as well as sensing efficiency. However, the understanding of their fate and thus their interactions at the cellular level with bio-organisms remains elusive. Here, we investigate the size-and charge-dependence of the damages induced by silica nanoparticles (SiO 2-NPs) on Gram-negative Escherichia coli bacteria. We show and quantify the existence of a NPs size threshold discriminating toxic and inert SiO 2-NPs with a critical particle diameter (Φ c) in the range 50nm–80nm. This particular threshold is identified at both the micrometer scale via viability tests through Colony Forming Units (CFU) counting, and the nanometer scale via atomic force microscopy (AFM). At this nanometer scale, AFM emphasizes the interaction between the cell membrane and SiO 2-NPs from both topographic and mechanical points of view. For SiO 2-NPs with Φ > Φ c no change in E. coli morphology nor its outer membrane (OM) organization is observed unless the NPs are positively charged in which case reorganization and disruption of the OM are detected. Conversely, when Φ < Φ c , E. coli exhibit unusual spherical shapes, partial collapse, even lysis, and OM reorganization

Detrimental impact of silica nanoparticles on the nanomechanical properties of Escherichia coli , studied by AFM

Despite great innovative and technological promises, nanoparticles (NPs) can ultimately exert an antibacterial activity by affecting the cell envelope integrity. This envelope, by conferring the cell its rigidity and protection, is intimately related to the mechanical behavior of the bacterial surface. Depending on their size, surface chemistry, shape, NPs can induce damages to the cell morphology and structure among others, and are therefore expected to alter the overall mechanical properties of bacteria. Although Atomic Force Microscopy (AFM) stands as a powerful tool to study biological systems, with high resolution and in near physiological environment, it has rarely been applied to investigate at the same time both morphological and mechanical degradations of bacteria upon NPs treatment. Consequently, this study aims at quantifying the impact of the silica NPs (SiO2-NPs) on the mechanical properties of E. coli cells after their exposure, and relating it to their toxic activity under a critical diameter. Cell elasticity was calculated by fitting the force curves with the Hertz model, and was correlated with the morphological study. SiO2-NPs of 100 nm diameter did not trigger any significant change in the Young modulus of E. coli, in agreement with the bacterial intact morphology and membrane structure. On the opposite, the 4 nm diameter SiO2-NPs did induce a significant decrease in E. coli Young modulus, mainly associated with the disorganization of lipopolysaccharides in the outer membrane and the permeation of the underlying peptidoglycan layer. The subsequent toxic behavior of these NPs is finally confirmed by the presence of membrane residues, due to cell lysis, exhibiting typical adhesion features