Les IDPP LCST présentent une large gamme de comportements de phase hystérétique. (A) L'analyse du comportement de phase réversible des IDPP LCST dans notre bibliothèque a révélé trois groupes de motifs répétés, dans lequel les motifs dans chaque groupe codent l'un des trois types de comportement de phase caractérisé par des différences dans le degré d'hystérésis thermique observé lors du refroidissement en dessous de la température de point de trouble, allant de (i) négligeable (~0°C) et (ii) modéré (10° à 30°C) à (iii) important, hystérésis sensible à l'environnement. Ici, nous montrons une turbidité optique dépendante de la température sur un cycle complet de chauffage et de refroidissement passant le Tcp pour trois IDPP représentatifs qui présentent la gamme complète des comportements hystérétiques observés. Pour guider l'œil, chaque panneau comprend une légende avec un indicateur qualitatif du degré d'hystérésis pour chaque motif répété. (B) Les IDPP constitués de répétitions (VAPVG) présentent des degrés d'hystérésis thermique hautement reproductibles sur plusieurs cycles de séparation de phases. (C) Extension des données dans (A) examinant le comportement de phase de (VGAPVG)35 pour montrer sa grande, hystérésis sensible à l'environnement, car il montre (dans des expériences séparées) une hystérésis thermique importante ou négligeable en fonction de la température maximale (indiquée par des flèches) atteinte pendant la partie de chauffage du cycle. (D) Comportement de phase hystérétique des IDPP avec un nombre croissant de répétitions (VAPVG). (E) Analyse des IDPP en (D) mais en variant la vitesse de refroidissement (de 1° à 0,1°C/min). Pour améliorer la visualisation des données, les Tcp correspondants au chauffage sont représentés par des lignes pointillées verticales. Toutes les mesures de turbidité optique ont été effectuées à une concentration fixe de 50 M en PBS, avec chauffage et refroidissement à 1°C/min, sauf indication contraire. Crédit: Avancées scientifiques (2019). DOI :10.1126/sciadv.aax5177
Les ingénieurs biomédicaux de l'Université Duke ont démontré qu'ils peuvent créer des matériaux stables à partir de protéines désordonnées modifiées en modifiant les déclencheurs environnementaux qui les amènent à subir des transitions de phase.
Cette découverte met en lumière des comportements auparavant inexplorés de protéines désordonnées et permet aux chercheurs de créer de nouveaux matériaux pour des applications dans l'administration de médicaments, Création de tissus, médecine régénérative et biotechnologie.
La recherche est apparue en ligne le 18 octobre dans Avancées scientifiques .
Les protéines fonctionnent en se repliant dans des formes 3D qui interagissent avec différentes structures biomoléculaires. Les chercheurs pensaient auparavant que les protéines devaient se replier dans une forme fixe spécifique pour fonctionner, mais au cours des deux dernières décennies, les ingénieurs cherchant à créer de nouveaux matériaux pour des applications biomédicales se sont tournés vers les protéines intrinsèquement désordonnées, appelés PDI, qui se déplacent dynamiquement parmi un large éventail de structures.
Les IDP sont particulièrement utiles à des fins biomédicales car ils peuvent subir des transitions de phase –– passer d'un liquide à un gel, par exemple, ou un état soluble à un état insoluble, et retour –– en réponse à des déclencheurs environnementaux, comme les changements de température. Cette capacité a fait des PDI un outil incontournable pour l'administration de médicaments à long terme, car les IDP peuvent être injectés sous forme liquide dans le corps, puis se solidifier en un dépôt de gel qui libère lentement le médicament.
Mais tandis que leur structure flexible rend les IDP utiles dans une variété d'applications, les chercheurs pensaient auparavant que cette flexibilité limitait la stabilité des matériaux résultants.
Dans leur récent article, Ashutosh Chilkoti, la chaire de Duke Biomedical Engineering, et Felipe Garcia Quiroz, un doctorat diplômé du Chilkoti Lab qui est chercheur postdoctoral à l'Université Rockefeller, démontrer qu'ils peuvent régler avec précision la stabilité des matériaux à base de PDI en contrôlant la rapidité avec laquelle les PDI s'associent et se dissocient en réponse aux signaux environnementaux.
"Contrairement aux protéines bien repliées, les déplacés internes conventionnels ont du mal à protéger les différentes parties de leurs structures les unes des autres, " A déclaré Quiroz. " Ainsi, à mesure que les personnes déplacées deviennent plus abondantes dans une solution, elles commencent à se heurter et à s'affronter fréquemment, avec certaines de leurs structures exposées qui collent faiblement ensemble et se brisent rapidement."
Si le taux d'association et de dissociation est égal, l'IDP est en équilibre et il ne subit aucun changement de comportement. Mais si quelque chose dans l'environnement change, comme la température, puis des segments de personnes déplacées restent ensemble pendant de plus longues périodes, et ils se séparent avec moins de fréquence, résultant en une transition de phase d'un état soluble à un état insoluble qui peut être exploité pour construire des matériaux.
En supprimant le stimulus environnemental, cependant, les PDI classiques présentent de nouveau des associations très faibles, et les matériaux précédemment assemblés se désagrègent.
Dans leur nouveau travail, Chilkoti et Quiroz ont créé des matériaux en utilisant des IDP nouvellement conçus qui changent de phase à différentes températures, et a démontré que lors de la séparation des phases, ces personnes déplacées sont chassées de leur comportement d'équilibre habituel. Cela déclenche un processus appelé hystérésis, dans lequel les personnes déplacées resteront solidaires même si le déclencheur environnemental de la transition de phase initiale est supprimé.
"Ce qui est passionnant dans notre nouveau travail, c'est que nous avons montré que nous pouvons composer le degré d'hystérésis pour identifier des conceptions dans lesquelles ces protéines se collent facilement, et une fois que ces associations émergent, il devient très difficile de les casser, " a déclaré Quiroz. " Les personnes déplacées sont généralement considérées comme étant faiblement collantes, mais nous montrons maintenant qu'il est possible de concevoir des IDP super collants, qui deviennent des blocs de construction très stables."
"Cette super adhérence n'apparaît qu'après avoir appliqué un déclencheur environnemental, ils se comportent donc comme des PDI ordinaires et nous n'avons pas à nous soucier de leur rigidité lorsque nous les traitons, " Dit Quiroz. " Du point de vue des matériaux, beaucoup de nos matériaux préférés sont ceux qui sont faciles à préparer, mais peut rapidement évoluer vers un état hautement stable et difficile à perturber. Le ciment en est un bon exemple."
En montrant qu'ils pouvaient faire un matériau très stable à partir des PDI, Quiroz a dit, ils pourraient s'appuyer sur des travaux antérieurs avec des personnes déplacées dans des domaines tels que la médecine régénérative. Par exemple, sous leur forme liquide, Les PDI peuvent s'écouler dans une cavité de plaie, adopter sa forme puis se transformer en gel pour fournir un soutien structurel et recruter des cellules clés pour la réparation des tissus.
Étant donné que les matériaux actuels à base d'IDP manquent de stabilité, leur effet est de courte durée car ils s'érodent assez rapidement, mais cette nouvelle approche pourrait faire des PDI une bonne source de nouveaux matériaux pour la cicatrisation.
« Les personnes déplacées ont un ensemble de caractéristiques connues, et nous avons travaillé dans cette gamme de caractéristiques pour explorer les applications biomédicales potentielles au cours des deux dernières décennies, " a déclaré Quiroz. " Mais maintenant, nous avons essentiellement de nouveaux outils avec lesquels jouer, et cela nous permet d'être plus créatifs. Notre découverte ajoute de la complexité à ce que nous sommes capables de faire avec des matériaux à base d'IDP pour des applications couvrant la science des matériaux et la biologie, ce qui est passionnant."
