Peptides et surfaces minérales : explorer les interactions moléculaires aux origines de la vie // Peptides and mineral surfaces: Exploring molecular interactions at the origins of life

Contexte scientifique
La compréhension des mécanismes ayant conduit à l'émergence des premières macromolécules biologiques demeure l'un des défis majeurs de la chimie prébiotique et des recherches sur l'origine de la vie. Parmi les briques élémentaires disponibles sur la Terre primitive, les acides aminés occupent une place centrale. Leur polymérisation en peptides représente une étape déterminante vers l'apparition de fonctions biologiques telles que la catalyse, la reconnaissance moléculaire ou l'auto-organisation.
De nombreuses études ont démontré que des surfaces minérales pouvaient favoriser la condensation des acides aminés en agissant comme supports d'adsorption, catalyseurs hétérogènes et agents de concentration locale. Toutefois, si la formation de peptides en présence de minéraux est bien documentée, leur devenir une fois formés reste encore largement inexploré (mobilité, poursuite de polymérisation, désorption, etc).
Les surfaces minérales naturelles, telles que les oxydes d'aluminium, la silice ou les oxydes de titane, présentent une hétérogénéité structurale et chimique intrinsèques (défauts, variations de phases cristallines, distribution locale de charges), susceptible d'influencer fortement les mécanismes d'adsorption. Afin d'aborder cette complexité, une approche originale combinant science des surfaces, biophysique et chimie prébiotique a récemment été développée au laboratoire. Elle repose notamment sur l'utilisation de la microscopie à force atomique (AFM) en mode spectroscopie de force et permet (i) d'accéder à des propriétés locales des surfaces minérales (topographie, charge, hydrophobicité) et (ii) de sonder des interactions peptide-surface à l'échelle de la molécule unique.
Objectifs scientifiques
Cette thèse vise à approfondir et étendre cette approche selon deux axes complémentaires.
A. Influence de la structure secondaire sur l'interaction peptide-surface
Les travaux préliminaires se sont concentrés sur des peptides courts, dont la taille limite la formation de structures secondaires. La thèse proposera donc d'étendre progressivement l'étude à des oligopeptides plus longs, capables de développer des structures secondaires (hélices  ou feuillets β), afin d'évaluer les influences mutuelles entre repliement et les mécanismes d'adsorption et de désorption.
B. De la molécule unique à la multivalence
Les expériences à l'échelle de la molécule unique ont permis de caractériser avec précision les interactions fondamentales entre peptides courts et surfaces minérales. Dans une situation réelle toutefois, les biomolécules interagissent non seulement avec la surface, mais avec d'autres molécules adsorbées. Le présent travail de thèse vise à étudier l'effet des molécules voisines sur l'interaction peptide-minéral, en exploitant une configuration expérimentale permettant de sonder ces interactions complexes. Pour cela, une sonde colloïdale fonctionnalisée par plusieurs biomolécules sera utilisée, afin de provoquer des interactions simultanées avec la surface tout en conservant l'accès aux paramètres cinétiques et thermodynamiques. Cette approche permettra de déterminer si la force d'interaction croît de manière linéaire avec le nombre de points « d'ancrage » ou si des phénomènes coopératifs peuvent apparaitre.

Retombées attendues
En combinant caractérisation fine des surfaces minérales réelles et analyse quantitative des interactions à l'échelle moléculaire, ce projet apportera une vision mécanistique inédite des interactions peptides-minéraux en contexte prébiotique. Il contribuera à mieux comprendre comment des peptides courts ont pu être stabilisés, organisés et potentiellement complexifiés aux interfaces solide/liquide et solide/gaz, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives sur les étapes précoces de l'évolution chimique vers le vivant.
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Scientific Context
Understanding the mechanisms that led to the emergence of the first biological macromolecules remains one of the major challenges in prebiotic chemistry and origins-of-life research. Among the elementary building blocks available on the early Earth, amino acids occupy a central position. Their polymerization into peptides represents a decisive step toward the emergence of biological functions such as catalysis, molecular recognition, and self-organization.
Numerous studies have demonstrated that mineral surfaces can promote amino acid condensation by acting as adsorption supports, heterogeneous catalysts, and local concentration agents. However, although peptide formation in the presence of minerals is well documented, their fate once formed remains largely unexplored (mobility, further polymerization, desorption, etc.).
Natural mineral surfaces, such as aluminum oxides, silica, or titanium oxides, exhibit intrinsic structural and chemical heterogeneity (defects, variations in crystalline phases, local charge distribution), which may strongly influence adsorption mechanisms. To address this complexity, an original approach combining surface science, biophysics, and prebiotic chemistry has recently been developed in the laboratory. It relies in particular on atomic force microscopy (AFM) operated in force spectroscopy mode and enables (i) access to local properties of mineral surfaces (topography, charge, hydrophobicity) and (ii) probing peptide-surface interactions at the single-molecule level.

Scientific objectives
This PhD project aims to extend this approach along two complementary axes.
A. Influence of secondary structure on peptide-surface interaction
Preliminary work has focused on short peptides, whose limited length restricts the formation of secondary structures. The project will therefore progressively extend the study to longer oligopeptides capable of developing secondary structures (α-helices or β-sheets), in order to evaluate the mutual influences between folding and adsorption and desorption mechanisms.
B. From single molecule to multivalency
Single-molecule experiments have enabled precise characterization of the fundamental interactions between short peptides and mineral surfaces. In realistic conditions, however, biomolecules interact not only with the surface but also with other adsorbed molecules. The present PhD work aims to investigate the effect of neighboring molecules on peptide-mineral interactions by exploiting an experimental configuration designed to probe such complex interactions. To this end, a colloidal probe functionalized with multiple biomolecules will be used to induce simultaneous interactions with the surface while preserving access to kinetic and thermodynamic parameters. This approach will determine whether the interaction force increases linearly with the number of “anchoring” groups or whether cooperative phenomena may emerge.

Expected outcomes
By combining detailed characterization of real mineral surfaces with quantitative analysis of molecular-scale interactions, this project will provide an unprecedented mechanistic view of peptide-mineral interactions in a prebiotic context. It will contribute to a better understanding of how short peptides could have been stabilized, organized, and potentially complexified at solid/liquid and solid/gas interfaces, thus opening new perspectives on the early stages of chemical evolution toward life.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

397 Physique et Chimie des Matériaux

Le/la candidat(e) doit être titulaire d'un master ou équivalent en (bio)chimie ou en science des matériaux avec de solides compétences en pratique expérimentale.
The candidate should hold a master degree or equivalent in (bio)chemistry or material science with solid skills in experimental practice.