Les chercheurs de l'UAB ont conçu des biostructures minimalistes qui imitent les enzymes naturelles, capable d'exercer deux activités différenciées et régulées de manière réversible grâce à une combinaison unique de propriétés structurelles et fonctionnelles. La stratégie utilisée ouvre la porte à la création de nanomatériaux « intelligents » avec des combinaisons sur mesure de fonctions catalytiques.

Il existe un intérêt croissant pour les systèmes synthétiques capables d'exécuter des réactions chimiques bioinspirées sans nécessiter les structures complexes qui caractérisent les enzymes dans leurs composants. L'une des approches les plus explorées est l'auto-assemblage de peptides - des molécules plus petites que les protéines - en raison de leur biocompatibilité et de la façon dont leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent être contrôlées.

Des chercheurs de l'Institut de biotechnologie et de biomédecine de l'Universitat Autònoma de Barcelona (IBB-UAB) ont récemment conçu l'une des plus petites structures enzymatiques mimétiques jamais créées. Ces peptides sont constitués de sept à neuf acides aminés qui s'auto-assemblent spontanément pour former des fibres amyloïdes stables et des hydrogels solides, inoffensif pour les cellules.

Les peptides sont formés avec seulement deux types d'acides aminés hydrosolubles (tyrosine et histidine), un code binaire contenant toutes les informations nécessaires pour former des nanostructures. En outre, ils sont réversibles et peuvent exercer deux activités catalytiques différenciées et non liées.

Les chercheurs ont réussi à créer un système plus simple et capable de mieux contrôler l'activité enzymatique, et pour la première fois, une structure dans laquelle les mêmes acides aminés fournissant une activité catalytique contribuent également à façonner l'architecture macromoléculaire. Dans les études précédentes, ces capacités étaient séparées dans différentes régions de la molécule, ce qui a donné des peptides plus longs et/ou des peptides à fonction unique.

"Le quid de la question est que l'activité catalytique des fibres et des hydrogels ne peut être atteinte que lorsque les peptides s'auto-assemblent, " explique Salvador Ventura, coordinateur de l'étude. "La stratégie que nous avons utilisée pose les bases de la création de matériaux nanostructures "intelligents", avec des combinaisons sur mesure de fonctions catalytiques pour un certain nombre d'applications pratiques."

Propriétés uniques

Jusqu'à maintenant, la majorité des peptides minimalistes conçus manquaient de l'une des capacités les plus importantes des enzymes naturelles :la capacité de réguler de manière réversible leur activité. Dans cette étude, les chercheurs ont réussi à contrôler la capacité d'assemblage, et cela permet d'alterner les formes actives et inactives avec de simples changements de pH.

En outre, les nouveaux peptides ont des propriétés que les enzymes naturelles n'ont pas, puisque ceux-ci ne mènent que des activités catalytiques. Maintenant, les peptides incorporent deux types d'activités différentes (hydrolitique et électrocatalytique) qui peuvent être menées simultanément ou alternativement. Dans tout autre cas, cela nécessiterait deux enzymes artificielles structurellement différentes qui seraient des centaines de fois plus grosses et plus chères.

Une autre caractéristique de ces nouvelles enzymes artificielles que les chercheurs soulignent est la spontanéité de l'auto-assemblage, ce qui implique qu'il n'y a pas besoin de réactifs chimiques supplémentaires ou d'application de chaleur, qui pourrait s'avérer toxique ou avoir des effets drastiques sur sa structure.

Plus d'efficacité et d'économie

Les hydrogels et les fibres de type amyloïde permettent de générer des microréacteurs solides et plus efficaces et économiques, dans lequel le produit final de la réaction peut être facilement séparé de l'enzyme artificielle.

"Les structures macromoléculaires que nous avons réussi à créer peuvent avoir des applications importantes en microfluidique, et aussi dans l'administration de médicaments, puisqu'ils peuvent encapsuler le médicament dans son état assemblé et le libérer d'une manière spécifique, une fois le contexte de cellule correct obtenu, simplement en démontant, " met en évidence Salvador Ventura.

Salvador Ventura dirige le groupe des maladies du repliement des protéines et de la conformation à l'IBB. « Nous avons commencé les axes de recherche nanotechnologiques il y a seulement trois ans, mais notre connaissance du mécanisme moléculaire de l'assemblage des protéines dans les structures amyloïdes nous a permis de développer de nouvelles fonctions, des nanomatériaux synthétiques dont les propriétés ne peuvent être atteintes avec des peptides ou des protéines naturels, " il dit.