Les ingénieurs biomédicaux de l'Université Duke ont démontré une nouvelle approche pour fabriquer des biomatériaux auto-assemblés qui repose sur des modifications des protéines et de la température. L'approche hybride permet aux chercheurs de contrôler plus précisément l'auto-assemblage, qui peut s'avérer utile pour une variété d'applications biomédicales, de l'administration de médicaments à la cicatrisation des plaies.

La recherche paraît en ligne le 19 mars dans Chimie de la nature .

Les biomatériaux ont de larges applications dans les domaines de l'ingénierie tissulaire, médecine régénérative et administration de médicaments. Les matériaux à base de protéines et de peptides sont intéressants pour ces applications car ils sont non toxiques, biodégradables et ont une composition bien définie. Mais ces biomatériaux sont limités aux 20 acides aminés présents dans la nature.

Une stratégie pour étendre la diversité chimique des matériaux à base de protéines est la modification post-traductionnelle (PTM), un ensemble puissant de réactions que la nature utilise pour transformer chimiquement les protéines après leur synthèse à partir de gènes. Le PTM peut modifier des acides aminés spécifiques dans les protéines ou ajouter des structures non protéiques, comme les sucres et les acides gras.

"La nature combine différents alphabets chimiques pour fabriquer des matériaux très sophistiqués, " dit Ashutosh Chilkoti, le président du département BME de Duke et auteur principal de l'article. « Une façon de le faire est de combiner le vocabulaire des acides aminés des protéines avec d'autres alphabets très différents. Les sucres et les graisses ne sont que deux exemples des centaines de ces PTM. En tant que scientifiques des matériaux, nous n'avons pas profité des méthodes de la nature pour fabriquer des matériaux hybrides, et cela a fourni l'inspiration pour cette recherche.

Pour fabriquer un tel matériau hybride aux propriétés biomédicales utiles, les chercheurs du laboratoire de Chilkoti se sont concentrés sur la création d'une série de polypeptides modifiés par les lipides, également appelés polypeptides de type élastine modifiés par des acides gras, ou FAME.

Lorsqu'un lipide est fusionné à une séquence peptidique, les propriétés physiques différentes du lipide et du peptide conduisent à la formation d'amphiphiles peptidiques, ou AP. Les PA typiques peuvent s'auto-assembler en diverses structures telles que de longues fibres, ce qui les rend utiles comme échafaudages pour l'ingénierie tissulaire. Cependant, cela se produit spontanément et ces matériaux ne peuvent pas être injectés dans le corps mais doivent à la place être implantés.

L'équipe de recherche a ajouté un autre biomatériau utile, polypeptide de type élastine (ELP), car il peut passer d'un état soluble à un état insoluble, ou vice versa, en fonction de la température.

En utilisant trois composants - un groupe myristoyle lipidique, une séquence peptidique formant feuillet bêta, et un polypeptide de type élastine (ELP) - les chercheurs ont créé un biomatériau hybride, le polypeptide FAME, qui passe de molécules flottant en solution à un matériau solide, simplement en augmentant la température.

"Attachement de lipides à une courte séquence de peptides, typiquement 5-20 acides aminés, fait l'objet d'enquêtes depuis de nombreuses années, mais la combinaison de gros biopolymères avec des lipides n'avait pas été explorée, " a déclaré Davoud Mojdehi, un stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Chilkoti. "Ce qui distingue les FAME des PA, c'est la présence de ce biopolymère sensible à la température avec une longueur beaucoup plus longue, généralement 200-600 acides aminés, sous la forme du PEL.

"Cette courte séquence peptidique formant une feuille bêta ne représente qu'environ deux pour cent de la séquence entière, " Mozhdehi a déclaré. "Mais cela a un impact énorme sur le comportement d'auto-assemblage. Ce matériau hybride conserve la réactivité thermique du PEL et l'auto-assemblage hiérarchique du PA, créant un matériau unique avec un comportement programmable."

"En combinant un PA avec un PEL, nous obtenons une molécule qui peut passer du liquide au solide en quelques secondes avec une petite élévation de température", dit Chilkoti. « Cela ouvre de nouvelles applications en médecine, où ces matériaux peuvent être injectés sous forme de liquide qui se transformerait ensuite en solide à l'intérieur du corps."

Cette preuve de concept s'appuie sur des recherches antérieures du laboratoire de Chilkoti, dans lequel les chercheurs ont exploré de nouvelles façons d'utiliser des enzymes pour synthétiser des fusions de polymères hybrides lipide-peptide entre les PEL et les lipides à l'aide de bactéries E. coli.

"D'autres avaient déjà découvert que vous pouvez extraire une enzyme spécifique de cellules eucaryotes complexes et la faire fonctionner dans E. coli, " a déclaré Kelli Luginbuhl, chercheur au laboratoire de Chilkoti. "Normalement, cette enzyme attache en permanence un groupement lipidique à une protéine, et nous étions curieux de savoir si nous pouvions utiliser l'enzyme pour fabriquer des matériaux hybrides lipide-biopolymère. Lorsque Davoud Mozhdehi a entendu parler de ce projet, il a eu l'idée d'incorporer une courte séquence peptidique de direction de structure dans le mélange."

Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères ont aidé l'équipe Duke en réalisant une caractérisation avancée des matériaux. « En entendant parler des multiples structures formées par ces polymères biofabriqués, nous étions très enthousiastes à l'idée de participer à ce projet collaboratif pour élucider davantage le mécanisme de la formation d'hydrogel et d'agrégats déclenchés par la température dans ces matériaux, " l'équipe de Max Planck a déclaré dans un communiqué. "Notre contribution en fonction de la température, la microscopie à force atomique à haute résolution et la spectroscopie dépendante de la température ont bien complété les travaux du groupe Duke, et ensemble, nous avons pu déchiffrer les transformations moléculaires par lesquelles ces biopolymères uniques forment des matériaux hiérarchiques."

"Ces blocs de construction sont connus dans le domaine et maintenant nous avons montré que les combiner en formant des liaisons covalentes, se traduit par des propriétés synergiques et d'auto-assemblage, " Mozhdehi a déclaré. "Nous espérons étendre cette méthode à d'autres lipides et protéines et développer de nouveaux outils et matériaux pour les applications biomédicales."