Les scientifiques explorent astucieusement le potentiel de transformer des protéines en structures sur mesure – Technoguide

L’origami peut ressembler davantage à de l’art qu’à de la science, mais une voie de pliage complexe que les protéines utilisent pour déterminer leur forme a été exploitée par les biologistes moléculaires, leur permettant de construire certaines des nanostructures de protéines synthétiques les plus complexes à ce jour.

En utilisant la ligne de lumière P12 de classe mondiale de l’EMBL Hambourg au synchrotron PETRA III de DESY, une équipe de chercheurs slovènes, en collaboration avec le groupe Svergun de l’EMBL, a dirigé de puissants faisceaux de rayons X sur des protéines artificielles appelées origami à bobine enroulée. Les protéines ont été conçues pour se plier dans une forme particulière basée sur des modules courts qui interagissent par paires. En déterminant leur structure moléculaire au niveau de la ligne de lumière de l’EMBL, les chercheurs ont confirmé que les protéines se repliaient dans la forme souhaitée et ont ensuite étudié le processus d’auto-assemblage étape par étape. Ces découvertes font progresser la compréhension de la façon dont le repliement des protéines synthétiques de type origami pourrait potentiellement véhiculer des thérapeutiques, ce qui permet de cibler plus précisément les médicaments, de minimiser les effets secondaires et de maximiser l’efficacité.

«Récemment, des scientifiques ont réalisé que les protéines naturelles ne représentaient qu’une infime partie des formes de protéines possibles et que nous pouvions utiliser des principes de conception distincts des protéines naturelles. Nous pouvons adapter des protéines conçues pour fabriquer de nouveaux matériaux, administrer des médicaments et des vaccins, et bien plus encore», déclare Roman. Jerala, biologiste synthétique à l’Institut national de chimie de Ljubljana, en Slovénie, qui a dirigé les travaux de conception et de construction d’une bipyramide (une forme de diamant composée de deux pyramides triangulaires jointes) à partir de différents types de chaînes de protéines artificielles.

Alors que les scientifiques ont d’abord tenté l’origami en utilisant l’ADN, les protéines se prêtent davantage à des applications potentielles. Les protéines sont les machines moléculaires de la vie, contenant de longues chaînes d’acides aminés qui se replient dans des formes spécifiques aux fonctions qu’elles remplissent. Cela peut signifier renforcer l’immunité, parler à d’autres cellules ou effectuer d’autres tâches pour garder le corps en bonne santé. Les protéines utilisées dans cette étude ont été pliées en cordes tressées appelées bobines enroulées, qui se lient facilement à d’autres parties de la même chaîne ou à d’autres molécules. Cela en fait un matériau de construction particulièrement adapté à la création de nanostructures sur mesure.

L’équipe de Roman a d’abord réussi cette quête avec une structure d’origami plus simple – une seule pyramide avec une base triangulaire. Ils ont vérifié une chaîne de protéines constituée d’acides aminés dans un ordre spécifique et ont vu comment elle s’auto-assemble. Ensuite, il était temps de le transformer d’une structure en une autre, comme si un lotus en origami pouvait se transformer en grue. Ils ont rassemblé deux chaînes différentes d’acides aminés portant un signal pour une enzyme de ciseaux appelée protéase, lui indiquant où faire une coupe dans la protéine origami. Ce faisant, ils ont réussi à forcer la protéine à effectuer sa transformation en origami dans une forme différente.

Faire la lumière sur les solutions protéiques

Pour faire ce genre de travail, les chercheurs ont besoin d’outils de haute technologie. La ligne de lumière P12 de l’EMBL Hambourg est particulièrement adaptée à cet objectif, et le groupe Svergun d’EMBL est connu pour son expertise dans une technique appelée diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Depuis 2018, les scientifiques de l’EMBL collaborent avec le groupe de Slovénie, les aidant à utiliser SAXS pour étudier la structure des protéines d’origami.

«Dans SAXS, nous diffusons des rayons X sur un capillaire en verre qui contient les solutions de protéines. Au fur et à mesure que les rayons X se dispersent lorsqu’ils traversent la solution, nous avons un moyen d’interpréter les structures», explique le chef du groupe Dmitri Svergun. “Ici, la plupart des travaux de collecte de données sont automatisés, et nous fournissons également un support logiciel et d’analyse important dans des collaborations comme celle-ci.”

En utilisant la ligne de lumière de l’EMBL, ainsi que la microscopie électronique, la calorimétrie, la modélisation informatique et d’autres méthodes, les chercheurs ont rassemblé les données nécessaires pour identifier les structures des protéines d’origami et confirmer que les formes s’intégreraient dans leur conception globale d’origami.

«Notre travail consiste à obtenir le meilleur signal de la ligne de lumière et à créer les conditions optimales pour obtenir les données», déclare Stefano Da Vela, post-doctorant dans le groupe Svergun. “Nous fournissons des outils pour aider à donner un sens aux données expérimentales SAXS et créer des modèles 3D à partir des données.”

Les chercheurs ont observé que leurs protéines synthétiques s’assemblent «de bas en haut», ce qui signifie que de petits morceaux détaillés se forment d’abord, puis s’assemblent en une structure plus grande. Comprendre cela aidera les chercheurs à construire des structures d’origami de protéines plus complexes avec plus de précision. «L’analyse SAXS a été cruciale pour identifier la conception qui conduit aux formes souhaitées, et les superbes outils développés à l’EMBL nous ont permis de détecter les caractéristiques uniques de nos cages conçues», déclare Fabio Lapenta, post-doctorant à l’Institut national de chimie et auteur principal de leur article récent dans Nature Communications qui décrivait ce travail. “Les bobines enroulées sont d’excellents outils qui peuvent être utilisés aussi bien dans les cellules que dans les protéines isolées. Nous pensons que nous pouvons étendre le potentiel de l’origami protéique à bobine enroulée pour concevoir de nombreux nouveaux plis protéiques et introduire des fonctionnalités intéressantes.”

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