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Understanding the cytotoxicity of metallic nanoparticles

A recent study published in the journal "Chemical Science" and involving FEMTO-ST gives new insights into the understanding of the mechanisms of DNA alteration in cells by metallic nanoparticles.

Oxidative stress is one of the processes often incriminated in the genesis of many diseases, such as cancers. This oxidative stress is characterized by the production in cells of oxidizing species called ROS (reactive oxygen species), which can alter DNA. The production of ROS results from electron transfer processes involving metal cations. Fortunately, most cells have effective self-defense systems that prevent the formation of ROS. Molecules from the catechol family (aromatic molecules with at least two adjacent alcohol functions) act as ROS defense agents. These well-known electron exchange mechanisms are the perfect explanation for the toxicity of metal oxide nanoparticles. However, the mechanism of action of metal oxide nanoparticles is still unknown, even though they are more toxic than their oxide-based alter-ego or the corresponding metal cations in solution.

Researchers from the Néel Institute (CNRS/University Grenoble Alpes), the FEMTO-ST Institute (CNRS/University Bourgogne-Franche-Comté), the Institute of Materials Science in Madrid (Spain) and the Institute of Materials Science in Trieste (Italy) have discovered sources of cytoxicity for metallic nanoparticles.

To understand and model the role of the surface of nanoparticles, the researchers focused their study on a low-energy (particularly stable) surface of copper interacting with a molecular layer under ultra-high vacuum. Observations of individual molecules, using scanning tunneling microscopy, high-resolution analysis of the composition of each molecule, and ab initio calculations, revealed how the molecules are gradually transformed. The main result shows that the copper surface is the site of a very particular oxidation-reduction reaction, known as "intramolecular": the catechol molecules see their alcohol functions oxidized while other functions are reduced, thanks to a transfer of electrons between the substituents of the same molecule. This transformation is governed by the alignment of the electronic levels of the copper surface and the molecules, the copper surface "forcing" the molecule to transform itself to allow its adsorption.

This study proposes a mechanism of action of the surfaces of metallic nanoparticles to transform cell defense agents into ROS-type agents that can alter cellular DNA and thus cause cancer. The metal plays a catalytic role here, i.e. a minute quantity of copper surface can oxidize a very large quantity of catechol-type molecules. The study illustrates the power of the paraphernalia of surface science techniques to uncover the evolution of a priori very complex systems, including living systems. The work will be extended to validate in a biological environment the mechanism of action of the metallic nanoparticles discovered and to open up new perspectives in the understanding of the mechanisms of DNA alteration.

Online article

DOI : 10.1039/D0SC04883F

 Contact : Frédéric Chérioux

  • Journée de présentation du réseau national des grandes centrales de technologie

    La journée annuelle de présentation du réseau Renatec-Leti se déroule jeudi 20 mars dans chacune des 7 centrales du réseau national RTB. Elle permet de faire le lien entre ceux qui ont des besoins dans le domaine des micro et nanotechnologies (académiques, industriels, PME, start-up) et les ressources technologiques disponibles au sein de ces centrales réparties sur l’ensemble du territoire.
    A Besançon, cette journée est organisée par l’institut FEMTO-ST et se déroule de 10h à 16h dans ses locaux et à la maison des microtechniques.

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  • Le plein d'hydrogène

    Alors que le problème du rejet des particules fines par les voitures diesel est au cœur des débats, l'utilisation de l'hydrogène comme combustible est une alternative sérieuse et intéressante.
    Mais il reste des freins au développement de l'hydrogène, notamment son stockage. Un stockage qui doit être sûr, fiable, avec des réservoirs qui puissent se remplir et se vider assez vite. À l'Institut FEMTO-ST, David Chapelle et Ali Haidar Zeaiter étudient le stockage de l'hydrogène dans les alliages solides.

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  • Voyage au centre d'une fibre optique

    Tous les ans, des millions de kilomètres de fibres optiques sont installés dans le monde. Ces longs cheveux de verre permettent de transmettre de très grandes quantités d'informations sous forme de lumière.
    Jean-Charles Beugnot, chercheur à l'Institut FEMTO-ST, utilise les fibres optiques de façon un peu différente. Il modifie les propriétés de la lumière, comme sa couleur. L'un de ses objectifs est de mettre au point des réseaux optiques, plus rapides et plus économiques en énergie.

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  • Premier rotor nanométrique sur une surface de silicium

    Le groupe Nanoscience de FEMTO-ST, en collaboration avec le CEMES à Toulouse, a réussi à mettre au point le premier rotor nanométrique sur une surface de silicium. La rotation du nano-rotor est induite par la température et elle est observée par microscopie à effet tunnel à température ambiante. Ces résultats sont publiés dans la revue ChemPhysChem. L’éditeur a choisi d’illustrer la couverture intérieure de son numéro de février par une vue artistique représentant la rotation des molécules sur la surface.

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  • Journée du réseau national des grandes centrales de micro et nanofabrication

    Une journée nationale d’information et d’échange se déroulera le 20 mars prochain, en parallèle dans chacune des grandes centrales du réseau RTB. A Besançon, elle aura lieu de 10h à 16h au sein de la centrale de technologie de FEMTO-ST située à Temis Innovation –Maison des Microtechniques

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    La troisième édition du séminaire croisé entre le Laboratoire de Mathématiques de Besançon et l'institut FEMTO-ST se déroulera le mardi 18 février prochain dans les locaux de l'UFR-ST

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  • Inauguration plateforme µROBOTEX

    Dans le cadre de la semaine européenne de la robotique, FEMTO-ST inaugure lundi 25 novembre à 10h dans les locaux de l’ENSMM (Besançon), sa nouvelle plateforme dédiée au développement de projets sur la manipulation et l’assemblage automatisé de micro/nano-composants.
    Ouverte aux partenaires académiques et industriels, cette plateforme de tout premier plan international est aujourd’hui opérationnelle.

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  • François Bastien auteur de : Sciences exactes ? Les limites de la science

    Physicien de formation, François Bastien a enseigné dans de nombreux domaines : mathématiques, électricité, optique, thermodynamique, physique des vibrations, physique des capteurs, acoustique des solides, informatique, électronique numérique et électrotechnique.

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  • Electrochemical Components, un ouvrage co-écrit par Marie-Cécile Pera et Daniel Hissel

    Nos besoins en objets électriques nomades sont croissants, et ceci dans une gamme étendue de puissance, allant du téléphone portable au véhicule électrique.
    Cet ouvrage s’intéresse aux moyens de stockage communément utilisés dans des systèmes hybrides, pour des applications stationnaires ou transport. Il s’appuie sur des principes de base de l’électrochimie accessibles avec un bagage minimal de culture scientifique.

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  • HAPTIQUE : 1er Forum international sur les propriétés sensorielles et tactiles des matériaux

    Les 29 et 30 octobre 2013 se tiendra, dans les locaux de l’ENSMM, le premier forum international Haptique qui a pour objectif de faire le point sur les propriétés sensorielles et tactiles des matériaux.

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