Nouveau, les protéines conçues par ordinateur s'assemblent elles-mêmes en filaments plus de mille fois plus fins qu'un cheveu humain. Crédit :Ian C. Haydon/Institute for Protein Design
Pour la première fois, les scientifiques ont créé, de zéro, filaments protéiques auto-assemblés.
Ceux-ci ont été construits à partir de sous-unités protéiques identiques qui s'emboîtent spontanément pour former de longues, hélicoïdal, structures filiformes.
Dans le monde naturel, les filaments de protéines sont des composants essentiels de plusieurs parties structurelles et mobiles des cellules vivantes, ainsi que de nombreux tissus corporels.
Ceux-ci incluent les cytosquelettes qui donnent leur forme aux cellules, les microtubules cellulaires qui orchestrent la division cellulaire, et la protéine la plus courante dans notre corps, collagène, qui donne à la fois force et souplesse à notre cartilage, peau et autres tissus.
"Être capable de créer des filaments de protéines à partir de zéro - ou de novo - nous aidera à mieux comprendre la structure et la mécanique des filaments de protéines d'origine naturelle et nous permettra également de créer des matériaux entièrement nouveaux, différents de ceux que l'on trouve dans la nature, " a déclaré David Baker, professeur de biochimie à la faculté de médecine de l'Université de Washington, et directeur de l'UW Institute for Protein Design, qui a dirigé le projet. Il est également chercheur au Howard Hughes Medical Institute.
Ces composants protéiques nouvellement conçus s'assemblent spontanément en filaments. Les protéines conçues sont relativement petites, composé d'environ seulement 180 à 200 acides aminés et ne mesure qu'environ un nanomètre de longueur, mais assembler en filaments stables plus de 10, 000 nanomètres de long. Les filaments peuvent également être bricolés pour se développer ou se désassembler. Crédit : Institute for Protein Design/UW Medicine
Ces matériaux peuvent inclure des fibres synthétiques qui égalent ou dépassent la résistance de la soie d'araignée, qui en poids est plus solide que l'acier, dit Boulanger. Il a également mentionné la possibilité de circuits de fils à l'échelle nanométrique.
Pour concevoir les filaments, les chercheurs ont utilisé un programme informatique développé au laboratoire Baker, appelé Rosette, qui peut prédire la forme d'une protéine à partir de sa séquence d'acides aminés.
Pour fonctionner correctement, les protéines doivent se replier dans une forme précise. Ce repliement est déterminé par les propriétés des acides aminés individuels et la façon dont ils interagissent les uns avec les autres et avec l'environnement fluide environnant. Les forces d'attraction et de répulsion poussent la protéine à se reposer dans une forme qui a le niveau d'énergie le plus bas.
En calculant quelle forme équilibrerait ces forces d'attraction et de répulsion pour produire le niveau d'énergie total le plus bas, Rosetta peut prédire, avec une grande précision, la forme qu'une protéine prendra dans la nature.
En utilisant Rosetta, les chercheurs ont entrepris de concevoir de petites protéines qui avaient des acides aminés à leur surface qui les feraient s'accrocher les unes aux autres. Cela leur a permis de s'assembler en hélice en s'alignant comme des marches dans un escalier en colimaçon. Pour que l'hélice soit stable, la protéine conçue se lie à d'autres copies positionnées au-dessus et au-dessous d'elle lorsque l'hélice s'enroule, niveau sur niveau.
Conception d'artiste d'unités protéiques conçues par ordinateur commençant à s'auto-assembler pour former des filaments. Crédit : Institute for Protein Design
"Nous avons finalement pu concevoir des protéines qui s'assembleraient comme des Legos, " dit Hao Shen, un doctorat candidat à l'UW Molecular Engineering &Sciences Institute. Lui et Jorge Fallas, professeur par intérim en biochimie à la UW School of Medicine, sont les principaux auteurs d'un article décrivant l'approche.
Cet article sera publié en ligne par la revue Science jeudi, 8 novembre 2018.
Fallas a déclaré que les protéines conçues sont relativement petites. Ils sont composés d'environ 180 à 200 acides aminés et ne mesurent qu'un nanomètre de longueur environ, mais assembler en filaments stables plus de 10, 000 nanomètres de long. Un nanomètre est 1 milliardième de mètre, ou environ la largeur de 10 atomes d'hydrogène alignés côte à côte.
Les chercheurs ont également montré que, en bricolant avec la concentration de la protéine conçue en solution et en ajoutant des capuchons qui inhibent la capacité de la conception à se lier, ils pourraient pousser les filaments à croître ou à se désassembler.
« La capacité de programmer la dynamique de la formation des filaments nous donnera un aperçu de la façon dont l'assemblage et le désassemblage des filaments sont régulés dans la nature, " a déclaré Baker. " La stabilité de ces protéines suggère qu'elles pourraient servir d'échafaudages facilement modifiables pour une gamme d'applications allant des nouveaux tests de diagnostic à la nano-électronique. "
