Des biologistes synthétiques travaillant sur un projet de l'armée américaine ont mis au point un processus qui pourrait conduire à une nouvelle classe de polymères synthétiques pouvant créer de nouveaux matériaux et thérapeutiques haute performance pour les soldats.

Communication Nature recherche publiée menée par des chercheurs financés par l'armée à l'Université Northwestern, qui a développé un ensemble de règles de conception pour guider la façon dont les ribosomes, une structure cellulaire qui fabrique des protéines, peut incorporer de nouveaux types de monomères, qui peuvent être liés à des molécules identiques pour former des polymères.

"Ces découvertes sont un pas en avant passionnant vers la réalisation de polymères synthétiques à séquences définies, qui a été un grand défi dans le domaine de la chimie des polymères, " a déclaré le Dr Dawanne Poree, gestionnaire de programme, la chimie des polymères au bureau de recherche de l'armée. « La capacité d'exploiter et d'adapter la machinerie cellulaire pour produire des polymères non biologiques serait, en substance, faire entrer les matériaux synthétiques dans le domaine des fonctions biologiques. Cela pourrait rendre avancé, matériaux hautes performances tels que la nanoélectronique, matériaux auto-cicatrisants, et d'autres matériaux d'intérêt pour l'armée."

Les polymères biologiques tels que l'ADN, ont des séquences de blocs de construction précises qui offrent une variété de fonctions avancées telles que le stockage d'informations et l'auto-réplication. Ce projet a examiné comment reconcevoir la machinerie biologique pour lui permettre de fonctionner avec des blocs de construction non biologiques qui offriraient une voie à la création de polymères synthétiques avec la précision de la biologie.

"Ces nouveaux polymères synthétiques peuvent permettre le développement d'équipements de protection individuelle avancés, électronique sophistiquée, réservoirs de carburant, cellules solaires avancées et nanofabrication, qui sont tous essentiels à la protection et à la performance des soldats, " dit Porée.

« Nous avons entrepris d'élargir la gamme de monomères ribosomiques pour la synthèse des protéines afin de permettre de nouvelles directions dans la bioproduction, " a déclaré Michael Jewett, le professeur Charles Deering McCormick d'excellence en enseignement, professeur de génie chimique et biologique, et directeur du Center for Synthetic Biology à la McCormick School of Engineering de Northwestern. "Ce qui est si excitant, c'est que nous avons appris que le ribosome peut accueillir plus de types de monomères que prévu, qui ouvre la voie à l'utilisation du ribosome comme machine générale pour créer des classes de matériaux et de médicaments qui n'ont jamais été synthétisés auparavant. »

La production de protéines recombinantes par le ribosome a transformé la vie de millions de personnes grâce à la synthèse de produits biopharmaceutiques, comme l'insuline, et les enzymes industrielles qui sont utilisées dans les détergents à lessive. Dans la nature, cependant, le ribosome incorpore uniquement des monomères d'acides aminés naturels dans des polymères protéiques.

Pour élargir le répertoire des monomères utilisés par le ribosome, L'équipe de Jewett a entrepris d'identifier les règles de conception pour lier les monomères à l'acide ribonucléique de transfert, connus sous le nom d'ARNt. C'est parce que faire en sorte que le ribosome utilise un nouveau monomère n'est pas aussi simple que d'introduire un nouveau monomère dans le ribosome. Les monomères doivent être attachés aux ARNt, qui sont les molécules qui les transportent dans le ribosome. De nombreux processus actuels pour attacher des monomères aux ARNt sont difficiles et longs, mais un procédé relativement nouveau appelé flexizyme permet une fixation plus facile et plus flexible des monomères.

Développer les règles de conception pour l'utilisation de flexizyme, les chercheurs ont créé 37 monomères nouveaux pour le ribosome à partir d'un répertoire diversifié d'échafaudages. Puis, ils ont montré que les monomères qui pouvaient être attachés aux ARNt pouvaient être utilisés pour fabriquer des dizaines de nouveaux hybrides peptidiques. Finalement, ils ont validé leurs règles de conception en guidant de manière prévisible la recherche d'encore plus de nouveaux monomères.

"Avec les nouvelles règles de conception, nous montrons que nous pouvons éviter les approches d'essais et d'erreurs qui ont été historiquement associées au développement de nouveaux monomères à utiliser par le ribosome, " dit Jewett.

Ces nouvelles règles de conception devraient accélérer le rythme auquel les chercheurs peuvent incorporer de nouveaux monomères, ce qui conduira à terme à de nouveaux bioproduits synthétisés par le ribosome. Par exemple, les matériaux faits de monomères résistants aux protéases pourraient conduire à des médicaments antimicrobiens qui combattent la résistance croissante aux antibiotiques.

La recherche fait partie du programme d'initiatives de recherche universitaire multidisciplinaire du ministère de la Défense, soutenu par ARO, dans lequel Jewett travaille avec des chercheurs de trois autres universités pour reconcevoir le ribosome en tant que catalyseur biologique pour fabriquer de nouveaux polymères chimiques. L'ARO est un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine.

"C'est incroyable que le ribosome puisse s'adapter à l'étendue des monomères que nous avons montrés, " a déclaré Jewett. "C'est vraiment encourageant pour les efforts futurs visant à réutiliser les ribosomes."