Les protons sont des particules subatomiques avec une charge électrique positive. La translocation de protons joue un rôle important dans les phénomènes naturels et les technologies artificielles. Mais il reste difficile de contrôler la conduction et la fabrication des protons dans les biomatériaux et les dispositifs. Dans un nouveau rapport, Chao Ma et une équipe interdisciplinaire de scientifiques en Chine, les Pays-Bas, et l'Allemagne, matériaux constitutifs protéiques conducteurs de protons de conception rationnelle qui dépassaient les systèmes protéiques précédemment rapportés (constitués ou contenant des protéines). Ils ont développé les structures par l'exploration par étapes de séquences peptidiques allant de bobines intrinsèquement désordonnées à des chimères polypeptidiques suralimentées en protéines. Le nouveau paradigme de conception offre un potentiel pour la fabrication de dispositifs bioprotoniques aux interfaces des systèmes artificiels et biologiques, les résultats sont publiés sur Avancées scientifiques .

La conduction protonique est responsable de processus fondamentaux en biologie, y compris la bioluminescence, la synthèse d'adénosine 5'-triphosphate (ATP) et la translocation de protons déclenchée par la lumière. Les bio-ingénieurs et les scientifiques des matériaux avaient précédemment développé plusieurs matériaux synthétiques avec un comportement de translocation de protons, y compris des systèmes hybrides, bien que leurs lacunes aient entravé les domaines de la bioélectronique et de la biotechnologie. Développer des biomatériaux dédiés à la conduction protonique, les scientifiques doivent explorer des échafaudages et des séquences pour leur comportement intrinsèque conducteur de protons. Pendant les états hydratés, les protons peuvent être transportés via des molécules d'eau le long d'un réseau de liaisons adjacent dans un mécanisme connu sous le nom de saut de protons, qui est utilisé comme modèle pour concevoir des structures conductrices de protons de novo (c'est-à-dire à partir de zéro). Dans ce travail, Ma et al. développé une étape par étape, membrane conductrice de protons à base de protéines avec un ensemble de des polypeptides suralimentés anioniques (SUP) contenant des résidus d'acide glutamique.

Dans le squelette polypeptidique de la membrane conductrice de protons, les fragments chargés hydrophiles (qui aiment l'eau) servaient de porteurs de protons. L'équipe a étudié les performances de conduction protonique de ces systèmes dépliés pour obtenir des membranes autoportantes et a perfectionné la conception structurelle en amalgamant des structures en feuille β ressemblant à de la soie avec des SUP anioniques pour former des nanostructures auto-assemblées. L'équipe a décoré les surfaces avec des groupes d'acide carboxylique denses pour l'hydratation, dissociation des protons et pour former des voies de conduction des protons. La membrane mécaniquement stable et autoportante a dépassé les propriétés de transport signalées jusqu'à présent des systèmes à base de protéines pour une conductivité protonique exceptionnelle.

L'équipe a dérivé les protéines suralimentées de l'élastine; exploré précédemment pour les applications de l'ingénierie des protéines et de la modification d'interface. Ils ont introduit l'acide glutamique (en abrégé Glu ou E), qui peut être facilement déprotoné dans des conditions physiologiques dans le site X de la séquence protéique, pour former des polypeptides surchargés négativement (SUP-E) non structurés. Ensuite, ils ont construit trois variantes différentes de polypeptides suralimentés appelés E72, HC_E35 et DC_E108. Ma et al. utilisé la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) avec des électrodes interdigitées en or (IDE) pour évaluer la conduction des protons en couche mince et mesurer le transport des protons en fonction de l'humidité relative. Lorsque l'humidité a augmenté à 90 pour cent, la translocation des protons s'est améliorée grâce à l'absorption d'un grand nombre de molécules d'eau via les groupes acide carboxylique (-COOH) du matériau. Outre l'humidité relative, ils ont également étudié la conduction des protons par rapport à la densité des porteurs de charge pour les spécimens d'intérêt. En ajustant la densité de charge des protéines désordonnées, Ma et al. contrôle avec succès le comportement de conductance protonique des protéines dans les films. En raison de la grande stabilité et de l'uniformité des films minces en SUP, la configuration n'a pas montré de signes de défauts.

Ma et al. puis étudié plus avant les squelettes de protéines nanométriques repliés et équipé les échafaudages nanométriques avec de l'acide carboxylique à la surface, similaire aux SUP. En utilisant la diffraction des rayons X, ils ont étudié les informations structurelles à l'intérieur des échantillons de protéines suralimentées pour obtenir des signatures distinctes de leurs domaines structurels, montrer comment des composants nanostructurés pourraient faciliter la translocation de protons. Le travail a permis à l'équipe de concevoir rationnellement des motifs protéiques pour effectuer la conduction des protons. Motivé par une conductivité protonique accrue, Ma et al. combiné les éléments de conception résultants avec les structures polypeptidiques suralimentées (SUP) existantes.

Au lieu d'utiliser des motifs -baril dans l'architecture des matériaux, ils ont utilisé les structures de feuille β mécaniquement stables, une séquence obtenue à partir de la soie d'araignée. Ils ont nommé le système combiné de SUP anionique avec des séquences de feuillets comme « araignée-E ». The scientists produced the recombinant anionic spider-E material using plasmid-vector expression systems in the lab and determined the structure using X-ray diffraction, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and atomic force microscopy. The spider-E film showed higher proton conductance compared to amorphous SUP films alone.

The β-sheet structured material system showed improved mechanical properties as a free-standing membrane that could be easily produced. Par exemple, Ma et al. drop casted the spider-E solution to engineer a transparent macroscopic membrane in the lab. The results showed mechanical robustness of the construct due to the inclusion of spider motifs with a yield strength comparable to recombinant spider silk materials. The researchers showed how spider motifs formed β-sheet structured domains with hydrophilic surfaces composed of glutamic acid-rich SUP strands, to facilitate excellent proton hopping. The study pushed the limits of existing proteinaceous proton-conducting materials to represent a key example of protein engineering. The work represents one of the first examples that combines protein engineering and the rational design of bulk architecture with collective properties from molecular ensembles.

De cette façon, Chao Ma and colleagues applied rational molecular de novo design and engineering to achieve a bioinspired protein-derived bulk material with robust properties of proton conduction and excellent mechanical stability. They tested the surface modifications using a range of biophysical tools. The team developed the new generation, bioinspired bulk material and explored successive sequence designs to offer a promising platform for applications in biotechnology and envision the use of such materials for proton transport in miniaturized biofuel cells of the future.

© 2020 Réseau Science X