Parmi le zoo de biomolécules essentielles à la vie, les protéines sont les plus étonnamment variées et polyvalentes.

Ces structures complexes, générés à partir du code ADN et construits à partir d'une vingtaine d'acides aminés jouent un rôle central dans d'innombrables processus vitaux. Sous forme d'anticorps, les protéines défendent les organismes contre les agents infectieux comme les bactéries et les virus. En tant qu'enzymes, les molécules de protéines accélèrent les réactions chimiques nécessaires au maintien de la vie. Les protéines agissent également comme des messagers qui coordonnent des activités de communication disparates entre les cellules.

Bien que les protéines aient fait l'objet d'études approfondies, les chercheurs ont encore beaucoup à apprendre sur ces molécules énigmatiques qui s'auto-assemblent en des formes 3D élaborées; en particulier leurs rôles subtils dans la santé et la maladie.

Dans une nouvelle étude, Stuart Lindsay et ses collègues de l'Arizona State University explorent une propriété surprenante des protéines, une propriété qui n'a été révélée que récemment. Dans les recherches parues dans le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) , le groupe démontre une conductance électrique à travers des protéines en équilibre entre une paire d'électrodes.

Ils montrent en outre qu'une telle conductance ne se produit que dans des conditions très spécifiques, lorsque les contacts reliant les molécules de protéines à leurs électrodes sont composés exactement de la molécule à laquelle la protéine a évolué pour se lier. Cela fournit une recette pour le câblage des protéines dans les circuits électriques.

"Si vous m'aviez dit que les protéines seraient de bons éléments de circuit il y a 5 ans, J'aurais ri de toi, c'est ridicule, " dit Lindsay. Son scepticisme cependant, vite fait place à la surprise :« Nous avons découvert il y a quelques années qu'une protéine impliquée dans le collage des cellules, sans fonction électrique connue, conduit comme un beau fil s'il était connecté à des électrodes par le petit morceau de protéine qu'il avait évolué pour reconnaître. C'était un grand mystère pour nous, et la présente étude a été conçue pour voir s'il s'agissait d'une propriété générale de toute protéine choisie au hasard. Il s'avère que c'est vrai :toutes les protéines que nous avons essayées, reliés à des électrodes au moyen des molécules spécifiques qu'ils reconnaissent, faire des fils moléculaires presque parfaits, même si nous sommes loin de comprendre pourquoi.

Je chante le corps électrique

Le flux d'électrons à travers les systèmes biologiques constitue certaines des réactions les plus importantes dans la nature, essentiel aux processus de conversion d'énergie allant de la respiration et du métabolisme à la photosynthèse. Bien que les bases soient comprises, des méthodes sophistiquées sont nécessaires pour démêler les moindres détails et de nombreuses énigmes subsistent.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont effectué des mesures électroniques directes de molécules de protéines uniques, traditionnellement considérés comme des isolants électriques. Les mesures ont été faites à l'aide d'un microscope à effet tunnel, un instrument avec une sonde très fine capable de toucher une seule molécule.

La molécule initiale de choix est connue sous le nom d'intégrine, une protéine omniprésente que les cellules utilisent pour attacher leur cytosquelette à la matrice extracellulaire. Une intégrine a évolué pour reconnaître un petit peptide particulier (petit morceau de protéine) agissant comme un conducteur puissant, alors qu'une intégrine variante, pas évolué pour reconnaître ce peptide particulier, agissait comme un isolant. Ayant identifié l'intégrine comme un conducteur fort dans les bonnes conditions, le groupe a commencé la recherche d'autres protéines capables de conductance, s'intéressant en particulier aux protéines qui n'ont aucun rôle connu dans le transfert d'électrons.

Dans tout, six protéines ont été sélectionnées pour l'étude de conductance. Aucun n'était capable de générer un courant électrochimique, laissant la conduction électronique comme seul moyen de conduction électrique. Lorsque les molécules ont été attachées à une surface dans leur natif, milieu aqueux, et au moyen de molécules les protéines reconnues spécifiquement, conductivité électrique a été observée.

Cette conductivité était la plus élevée lorsque deux contacts spécifiques étaient établis, par exemple, utilisant un anticorps qui a deux sites pour lier sa protéine cible. Lorsque les anticorps ont été coupés en deux, donc un seul contact spécifique a été établi, la conductivité a chuté de façon spectaculaire. Certaines des molécules d'anticorps utilisées dans l'étude ont été développées et synthétisées dans le laboratoire du co-auteur Qiang "Shawn" Chen, au Centre Biodesign d'Immunothérapie, Vaccins et Virothérapie, en utilisant des systèmes d'expression végétale rapides et flexibles.

La vie secrète des protéines

Les implications de ces résultats sont importantes car ils permettent une grande spécificité dans la détection de molécules uniques, et parce qu'ils fournissent une recette pour connecter des protéines à un circuit électrique où elles peuvent être utilisées comme capteurs chimiques sensibles. En utilisant la technique, des anticorps individuels peuvent être détectés électriquement lorsqu'ils se lient à un épitope peptidique attaché aux électrodes. Lorsqu'il n'y a pas de liaison, le signal sera nul, sans fuite de fond électrique dans le circuit, contrairement aux tests de fluorescence (ELISA) couramment utilisés qui souffrent de signaux de fond indésirables.

Comme le démontre l'étude, la rupture d'un bras de l'épitope en forme de Y a entraîné un niveau de conductance inférieur à travers la molécule, produisant des pics de conductance inférieurs. Comme l'explique Lindsay :« Un seul site de liaison fera l'affaire, mais les meilleurs circuits sont réalisés avec deux sites de liaison spécifiques. Once you're armed with that knowledge it's like being told how to use a piece of electronic design software to make protein circuits." Lindsay's group is currently working on a variety of systems leveraging this approach.

Lindsay, who directs the Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics, has been performing elaborate tricks with individual molecules for much of his career. The study of subtle events occurring at the nanoscale has important implications for chemistry, la biologie, physics, la science des matériaux, ingénierie, and other fields. At this tiny scale, ghostly effects associated with the quantum realm become key ingredients governing physical behavior.

Lindsay holds the Edward and Nadine Carson Presidential Chair in Physics, and is also professor in the School of Molecular Sciences at Arizona State University.

On the horizon, a chip-based version of the technology could beam individual protein information to a computer for analysis, making the promise of truly personalized medicine a reality. "The next steps will be actually making some of the protein-based machines that will serve very useful functions in medicine and analytical chemistry, " Lindsay says. "The technology is very powerful."