Les ingénieurs biomédicaux de l'Université Duke et de l'Université Washington à St. Louis ont démontré que, en injectant une protéine artificielle réalisée à partir d'une solution de segments ordonnés et désordonnés, un échafaudage solide se forme en réponse à la chaleur corporelle, et en quelques semaines s'intègre parfaitement dans les tissus.

La capacité de combiner ces segments en protéines aux propriétés uniques permettra aux chercheurs de contrôler avec précision les propriétés de nouveaux biomatériaux pour des applications en ingénierie tissulaire et en médecine régénérative.

La recherche paraît en ligne le 15 octobre dans la revue Matériaux naturels .

Les protéines fonctionnent par repliement, comme l'origami, et interagir avec des structures biomoléculaires spécifiques. Les chercheurs pensaient auparavant que les protéines avaient besoin d'une forme fixe pour fonctionner, mais au cours des deux dernières décennies, il y a eu un intérêt croissant pour les protéines intrinsèquement désordonnées (IDP). Contrairement à leurs homologues bien pliés, Les PDI peuvent adopter une pléthore de structures distinctes. Cependant, ces préférences structurelles ne sont pas aléatoires, et des progrès récents ont montré qu'il existe des règles bien définies qui relient les informations dans les séquences d'acides aminés des IDP aux collections de structures qu'elles peuvent adopter.

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que la polyvalence de la fonction des protéines est réalisable en enchaînant des protéines bien repliées avec des IDP, plutôt comme des colliers de perles. Cette polyvalence est évidente dans les matériaux biologiques comme les fibres musculaires et de soie, qui sont constitués de protéines qui combinent des régions ordonnées et désordonnées, permettant aux matériaux de présenter des caractéristiques telles que l'élasticité du caoutchouc et la résistance mécanique de l'acier.

Les IDP sont essentiels à la fonction cellulaire, et de nombreux ingénieurs biomédicaux ont concentré leurs efforts sur un IDP extrêmement utile appelé élastine. Une protéine hautement élastique présente dans tout le corps, l'élastine permet aux vaisseaux sanguins et aux organes, comme la peau, l'utérus et les poumons — pour reprendre leur forme initiale après avoir été étirés ou comprimés. Cependant, créer l'élastine à l'extérieur du corps s'est avéré être un défi.

Les chercheurs ont donc décidé d'adopter une approche d'ingénierie réductionniste du problème.

"Nous étions curieux de voir quels types de matériaux nous pouvions fabriquer en ajoutant de l'ordre à une protéine autrement très désordonnée, " a déclaré Stefan Roberts, un doctorat étudiant au laboratoire de Chilkoti et premier auteur de l'article.

En raison des défis liés à l'utilisation de l'élastine elle-même, l'équipe de recherche a travaillé avec des polypeptides de type élastine (ELP), qui sont des protéines entièrement désordonnées conçues pour imiter des morceaux d'élastine. Les PEL sont des biomatériaux utiles car ils peuvent subir des changements de phase - passer d'un état soluble à un état insoluble, ou vice-versa - en réponse aux changements de température. Bien que cela rende ces matériaux utiles pour des applications telles que l'administration de médicaments à long terme, leur comportement semblable à un liquide les empêche d'être des échafaudages efficaces pour les applications d'ingénierie tissulaire.

Mais en ajoutant des domaines ordonnés aux PEL, Roberts et l'équipe ont créé des protéines "Frankenstein" qui combinent des domaines ordonnés et des régions désordonnées conduisant à des protéines dites partiellement ordonnées (POP), qui sont équipés de la stabilité structurelle des protéines ordonnées sans perdre la capacité des PEL à devenir liquides ou solides via les changements de température.

Conçu comme un fluide à température ambiante qui se solidifie à température corporelle, ces nouveaux biomatériaux forment une écurie, échafaudage poreux lorsqu'il est injecté qui s'intègre rapidement dans les tissus environnants avec une inflammation minimale et favorise la formation de vaisseaux sanguins.

"Ce matériau est très stable après injection. Il ne se dégrade pas rapidement et il tient très bien son volume, ce qui est inhabituel pour un matériau à base de protéines, " a déclaré Roberts. " Les cellules prospèrent également dans le matériau, repeupler le tissu dans la zone où il est injecté. Toutes ces caractéristiques pourraient en faire une option viable pour l'ingénierie tissulaire et la cicatrisation des plaies. »

Bien que l'échafaudage créé par le POP soit stable, l'équipe a également observé que le matériau se redissoudrait complètement une fois refroidi. Quoi de plus, les températures de formation et de dissolution pourraient être contrôlées indépendamment en contrôlant les rapports de segments désordonnés et ordonnés dans le biomatériau. Cette accordabilité indépendante confère aux POP des mémoires de forme via un phénomène appelé hystérésis, leur permettant de reprendre leur forme d'origine après un signal de température.

L'équipe Duke a collaboré avec le laboratoire de Rohit Pappu, le professeur d'ingénierie Edwin H. Murty au Département de génie biomédical de l'Université de Washington à St. Louis pour comprendre la base moléculaire du comportement hystérétique codé par séquence. Tyler S. Harmon, puis un doctorat en physique. étudiant au labo Pappu, ont développé un modèle informatique pour montrer que l'hystérésis résulte des interactions différentielles des régions ordonnées et désordonnées avec le solvant par rapport à seul.

"Être capable de simuler la base moléculaire de l'hystérésis accordable nous met sur la voie de la conception de matériaux sur mesure avec les structures et les profils de mémoire de forme souhaités, " a déclaré Pappu. "Cela semble être une caractéristique jusqu'ici méconnue de la synergie entre les domaines ordonnés et les IDPs."

Aller de l'avant, l'équipe espère étudier le matériau dans des modèles animaux pour examiner les utilisations potentielles dans l'ingénierie tissulaire et la cicatrisation des plaies et pour mieux comprendre pourquoi le matériau favorise la vascularisation. Si ces études sont efficaces, Roberts est optimiste quant au fait que le nouveau matériau pourrait devenir la base d'une entreprise de biotechnologie. Ils souhaitent également approfondir leur compréhension des interactions entre les parties ordonnées et désordonnées de ces matériaux polyvalents.

"Nous avons été tellement fascinés par le comportement de phase dérivé des domaines désordonnés que nous avons négligé les propriétés des domaines ordonnés, ce qui s'est avéré très important, " a déclaré Chilkoti. " En combinant des segments ordonnés avec des segments désordonnés, nous pouvons créer un tout nouveau monde de matériaux avec une belle structure interne sans perdre le comportement de phase du segment désordonné, et c'est excitant."