Plus qu'un signe de maladie, le mucus est un élément essentiel des défenses de notre corps contre les maladies. Tous les jours, notre corps produit plus d'un litre de substance glissante, couvrant une superficie de plus de 400 mètres carrés pour piéger et désarmer les envahisseurs microbiens.

Le mucus est fabriqué à partir de mucines, des protéines décorées de molécules de sucre. De nombreux scientifiques tentent de créer des versions synthétiques des mucines dans l'espoir de reproduire leurs traits bénéfiques. Dans une nouvelle étude, des chercheurs du MIT ont maintenant généré des mucines synthétiques avec un squelette polymère qui imitent plus précisément la structure et la fonction des mucines naturelles. L'équipe a également montré que ces mucines synthétiques pouvaient neutraliser efficacement la toxine bactérienne qui cause le choléra.

Les résultats pourraient aider à donner aux chercheurs une meilleure idée des caractéristiques des mucines qui contribuent à différentes fonctions, en particulier leurs fonctions antimicrobiennes, dit Laura Kiessling, le professeur Novartis de chimie au MIT. La réplication de ces fonctions dans les mucines synthétiques pourrait éventuellement conduire à de nouvelles façons de traiter ou de prévenir les maladies infectieuses, et ces matériaux peuvent être moins susceptibles de conduire au type de résistance qui se produit avec les antibiotiques, elle dit.

"Nous aimerions vraiment comprendre quelles caractéristiques des mucines sont importantes pour leurs activités, et imiter ces caractéristiques afin que vous puissiez bloquer les voies de virulence dans les microbes, " dit Kiessling, qui est l'auteur principal de la nouvelle étude.

Le laboratoire de Kiessling a travaillé sur ce projet avec Katharina Ribbeck, le Mark Hyman, Jr. Développement de carrière Professeur de génie biologique, et Richard Schrock, le F.G. Keyes professeur émérite de chimie, qui sont également les auteurs de l'article. Les principaux auteurs de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans ACS Science centrale , sont l'ancien étudiant diplômé du MIT Austin Kruger et le postdoctorant du MIT Spencer Brucks.

Inspiré par le mucus

Kiessling et Ribbeck ont ​​uni leurs forces pour essayer de créer des matériaux inspirés du mucus en 2018, avec le financement d'une bourse de recherche du professeur Amar G. Bose. Les principaux éléments constitutifs du mucus sont les mucines—longues, des protéines ressemblant à des goupillons auxquelles sont attachées de nombreuses molécules de sucre appelées glycanes. Ribbeck a découvert que ces mucines perturbent de nombreuses fonctions clés des bactéries infectieuses, y compris leur capacité à sécréter des toxines, communiquer entre eux, et se fixent aux surfaces cellulaires.

Ces caractéristiques ont conduit de nombreux scientifiques à essayer de générer des versions artificielles qui pourraient aider à prévenir ou à traiter les infections bactériennes. Cependant, les mucines sont si grandes qu'il a été difficile de reproduire leur structure avec précision. Chaque polymère de mucine a un long squelette composé de milliers d'acides aminés, et de nombreux glycanes différents peuvent être attachés à ces squelettes.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont décidé de se concentrer sur le squelette du polymère. Pour essayer de reproduire sa structure, ils ont utilisé une réaction appelée polymérisation par métathèse par ouverture de cycle. Lors de ce type de réaction, un cycle contenant du carbone est ouvert pour former une molécule linéaire contenant une double liaison carbone-carbone. Ces molécules peuvent ensuite être réunies pour former de longs polymères.

En 2005, Schrock a partagé le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur le développement de catalyseurs pouvant entraîner ce type de réaction. Plus tard, il a développé un catalyseur qui pourrait donner spécifiquement la configuration "cis" des produits. Chaque atome de carbone dans la double liaison a généralement un autre groupe chimique qui lui est attaché, et dans la configuration cis, ces deux groupes sont du même côté de la double liaison. Dans la configuration "trans", les groupes sont sur des côtés opposés.

Pour créer leurs polymères, les chercheurs ont utilisé le catalyseur de Schrock, qui est à base de tungstène, pour former des versions cis de polymères mimétiques de la mucine. Ils ont comparé ces polymères à ceux produits par un autre catalyseur à base de ruthénium, qui crée des versions trans. Ils ont constaté que les versions cis étaient beaucoup plus similaires aux mucines naturelles, c'est-à-dire ils formaient très allongés, polymères hydrosolubles. En revanche, les polymères trans forment des globules qui s'agglutinent au lieu de s'étirer.

Imiter les mucines

Les chercheurs ont ensuite testé la capacité des mucines synthétiques à imiter les fonctions des mucines naturelles. Lorsqu'il est exposé à la toxine produite par Vibrio cholerae, les polymères cis allongés étaient bien mieux capables de capturer la toxine que les polymères trans, les chercheurs ont trouvé. En réalité, les imitateurs synthétiques de la mucine cis étaient encore plus efficaces que les mucines naturelles.

Les chercheurs ont également découvert que leurs polymères allongés étaient beaucoup plus solubles dans l'eau que les polymères trans, ce qui pourrait les rendre utiles pour des applications telles que des gouttes pour les yeux ou des hydratants pour la peau.

Maintenant qu'ils peuvent créer des mucines synthétiques qui imitent efficacement la vraie chose, les chercheurs prévoient d'étudier comment les fonctions des mucines changent lorsque différents glycanes sont attachés aux épines dorsales. En modifiant la composition des glycanes, ils espèrent développer des mucines synthétiques qui peuvent atténuer les voies de virulence d'une variété de microbes.

"Nous réfléchissons à des moyens d'imiter encore mieux les mucines, mais cette étude est une étape importante pour comprendre ce qui est pertinent, " dit Kiessling.