Grâce à une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et de l'Université du Massachusetts Amherst, les scientifiques sont capables de lire des motifs sur de longues chaînes de molécules pour comprendre et prédire le comportement de brins désordonnés de protéines et de polymères. Les résultats pourraient, entre autres, ouvrir la voie au développement de nouveaux matériaux à partir de polymères synthétiques.

Le laboratoire de Charles Sing, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l'Illinois, fourni la théorie derrière la découverte, qui a ensuite été vérifiée grâce à des expériences menées dans le laboratoire de Sarah Perry, professeur assistant de génie chimique à l'UMass Amherst, et ancienne élève de l'Illinois. Les collaborateurs ont détaillé leurs découvertes dans un article intitulé "Designing Electrostatic Interactions via Polyelectrolyte Monomer Sequence" publié dans ACS (American Chemical Society) Science centrale .

Les collègues ont cherché à comprendre la physique derrière la séquence précise de monomères chargés le long de la chaîne et comment elle affecte la capacité du polymère à créer des matériaux liquides auto-assemblants appelés coacervats complexes.

"Ce que je trouve passionnant dans ce travail, c'est que nous nous inspirons d'un système biologique, " Sing a déclaré. "L'image typique d'une protéine montre qu'elle se replie dans une structure très précise. Ce système, cependant, est basé sur des protéines intrinsèquement désordonnées.

Cet article s'appuie sur les conclusions antérieures de Perry et Sing de 2017, qui vise à terme à faire progresser la conception de matériaux intelligents.

"Notre article précédent a montré que ces séquences sont importantes, celui-ci montre pourquoi ils sont importants, " Sing a expliqué. " Le premier a montré que différentes séquences donnent des propriétés différentes dans la coacervation complexe. Ce que nous sommes capables de faire maintenant, c'est d'utiliser une théorie pour prédire pourquoi ils se comportent de cette façon. »

Contrairement aux protéines structurées, qui interagissent avec des partenaires de liaison très spécifiques, la plupart des polymères synthétiques ne le font pas.

"Ils sont plus flous dans la mesure où ils réagiront avec un large éventail de molécules dans leur environnement, " Sing a expliqué.

Ils ont constaté que malgré ce fait, la séquence précise des monomères le long d'une protéine (les acides aminés) fait vraiment une différence.

"Il a été évident pour les biophysiciens que la séquence fait une grande différence si elles forment une structure très précise, " Sing a dit. " Il s'avère que, cela fait également une grande différence s'ils forment des structures imprécises."

Même les protéines non structurées ont une précision qui leur est associée. Monomères, les éléments constitutifs de molécules complexes, sont les maillons de la chaîne. Ce que le groupe de Sing a théorisé, c'est qu'en connaissant la séquence des polymères et des monomères et la charge (positive, négatifs ou neutres) qui leur sont associés, on peut prédire les propriétés physiques des molécules complexes.

"Alors que les chercheurs savent que s'ils mettent des charges différentes à des endroits différents dans l'une de ces protéines intrinsèquement désordonnées, les propriétés thermodynamiques réelles changent, " a dit Sing.

"Ce que nous sommes en mesure de montrer, c'est que vous pouvez réellement changer la force de cela en le modifiant très spécifiquement sur la séquence. Il y a des cas ici où en changeant la séquence par un seul monomère (un seul maillon dans cette chaîne), cela peut changer radicalement la façon dont ces choses peuvent se former. Nous avons également prouvé que nous pouvons prédire le résultat."

Sing ajoute que cette information est précieuse pour les biophysiciens, aussi bien les bio-ingénieurs que les scientifiques des matériaux. Cette découverte aidera les ingénieurs à comprendre une large classe de protéines et à ajuster les protéines pour modifier leur comportement. Cela leur donne une nouvelle façon de mettre des informations dans les molécules pour construire de nouveaux matériaux et de mieux deviner comment ces propriétés se comportent.

Les scientifiques des matériaux peuvent, par exemple, utiliser ces informations pour avoir un niveau de contrôle sur un matériau pour le faire s'assembler en structures très compliquées ou fabriquer des membranes qui filtrent avec précision les contaminants dans l'eau. Leur espoir est que les scientifiques, inspiré des biopolymères, peut tirer parti de cette capacité à prédire les comportements physiques simplement en lisant la séquence pour finalement concevoir de nouveaux matériaux intelligents de cette façon.

"Cela rapproche en quelque sorte la biologie et les polymères synthétiques, " Sing a dit. " Par exemple, à la fin de la journée, il n'y a pas de différence majeure dans la chimie entre les protéines et le nylon. La biologie utilise cette information pour expliquer comment la vie se déroule. Si vous pouvez mettre en particulier l'identification de ces différents liens, ce sont des informations précieuses pour un certain nombre d'autres applications."