Fig 1. Un dessin représentant un faisceau de filaments peptidiques de 10 nanomètres de diamètre positionnés dans un réseau hexagonal. Des phénomènes similaires peuvent se produire naturellement dans les cytosquelettes des cellules, la cornée de l'œil, et d'autres domaines de la biologie. L'encart (en bas à droite) représente la structure moléculaire des filaments individuels. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de S.I. Stupp.)
(PhysOrg.com) -- Les expériences peuvent parfois conduire à la découverte de phénomènes complètement imprévus. C'est le cas du comportement remarquable des nanostructures peptidiques (sous forme de filaments supramoléculaires) observés lors d'expériences menées par des chercheurs de la Northwestern University sur la ligne 5-ID de la DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) Centre de recherche synchrotron de la source avancée de photons (APS) du département américain de l'Énergie au Laboratoire national d'Argonne.
Selon le professeur Samuel Stupp, auteur principal de l'étude récemment publiée dans Science , tout en « essayant d'élucider l'organisation hiérarchique des nanostructures peptidiques », son équipe a découvert que, dispersés dans l'eau, ces nanostructures filamenteuses pourraient s'organiser en faisceaux hexagonaux. Les chercheurs ont été surpris de constater qu'à des concentrations suffisamment élevées en solution, les filaments pourraient s'auto-assembler spontanément en structures cristallines (les faisceaux hexagonaux). Plus surprenant encore, la découverte que les rayons X utilisés pour sonder les nanostructures déclenchaient également parfois la cristallisation des filaments. Ces travaux pourraient avoir un impact sur notre compréhension des nanostructures dans les systèmes biologiques et notre capacité à contrôler la structure des matériaux.
Les filaments utilisés pour cette recherche possédaient des diamètres de l'ordre de 10 nanomètres et des longueurs de l'ordre de quelques dizaines de micromètres. Les filaments étaient dérivés d'une molécule synthétique contenant une courte séquence peptidique. Les peptides sont des composés contenant au moins deux acides aminés. Ici, la séquence peptidique consistait en six molécules d'acides aminés d'alanine liées à trois molécules d'acide glutamique - en abrégé Ala
Une séquence d'expériences a été conçue pour révéler l'arrangement des filaments dispersés dans l'eau. Différentes concentrations aqueuses des filaments ont été placées à l'intérieur de minuscules capillaires de quartz de 2 mm de diamètre et étudiées en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) sur la ligne de lumière DND-CAT. Les concentrations allaient de 0,5 à 5 pour cent en poids. Les données SAXS ont révélé que toutes les concentrations de filaments se sont agrégées en faisceaux présentant un tassement hexagonal (voir Fig. 1). L'organisation des filaments en faisceaux hexagonaux (c'est-à-dire, cristallisation) est assez remarquable. Mais encore plus remarquable était l'observation que la concentration plus élevée de filaments (2 et 5 pour cent en poids) cristallisait spontanément, tandis que les solutions à plus faible concentration (0,5 et 1 pour cent en poids) ne cristallisaient que par exposition aux rayons X.
Selon le professeur Stupp, la cristallisation des filaments, soit par auto-assemblage, soit par exposition aux rayons X, constituent des phénomènes que « nous n'avons jamais vus auparavant » dans d'autres systèmes supramoléculaires. Stupp a également observé que « en faisant les expériences au synchrotron APS, nous avons été surpris de découvrir que les rayons X pouvaient favoriser la cristallisation.
Une caractéristique fascinante de la cristallisation induite par les rayons X était la réversibilité du processus, qui était réellement visible. En utilisant la solution à 1 pour cent en poids, une irradiation aux rayons X cumulée de 200 secondes a rendu opaque la solution initialement transparente, indiquant la cristallisation. Après l'arrêt des rayons X, l'opacité de la solution a lentement diminué jusqu'à ce qu'elle redevienne claire en 40 minutes environ, indiquant un retour au désordre. Une expérience SAXS de suivi a exposé la solution à un certain nombre de sursauts de rayons X de 4 secondes. Les données expérimentales ont montré que les filaments initialement non ordonnés (révélés par la première exposition de 4 secondes) ont progressivement subi une modification en faisceaux de filaments hexagonaux tels qu'enregistrés lors des dernières expositions aux rayons X. Lorsque l'expérience a été répétée deux heures plus tard, les données SAXS ont révélé que les filaments étaient à nouveau désordonnés - la structure cristalline avait disparu.
Les chercheurs ont examiné si des facteurs externes pouvaient avoir contribué à l'ordre des filaments. Les rayons X intenses peuvent créer de nouveaux composés chimiques dans une solution en raison de l'ionisation, ainsi que produire un chauffage subtil. Cependant, des tests ultérieurs des solutions filamenteuses ont montré qu'aucune des espèces chimiques indésirables, ni effets thermiques, avait joué un rôle dans les cristallisations spontanées ou déclenchées par rayons X.
Concernant le mécanisme de base responsable de la cristallisation, les chercheurs envisagent que la stabilité à long terme des domaines cristallins est un équilibre entre deux tensions opposées :les charges électriques résidant sur les filaments (soit natives soit induites par l'irradiation aux rayons X) ont tendance à écarter les faisceaux filamenteux, tandis que le piégeage des filaments dans le réseau plus large conduit à une compression mécanique vers l'intérieur.
Les données expérimentales ont révélé qu'à mesure que la concentration des filaments augmentait, le nombre de filaments dans les faisceaux a également augmenté, jusqu'à ce qu'une concentration critique de filaments entraîne leur disposition hexagonale spontanée dans les faisceaux (c'est-à-dire la cristallisation). D'autre part, des concentrations filamentaires plus faibles - incapables de cristalliser spontanément - ne pouvaient le faire que lorsque les rayons X augmentaient la densité de charge à la surface des filaments, modifiant ainsi l'équilibre des forces interfilamentaires en faveur de la cristallisation.
Le même mécanisme qui a créé leurs réseaux filamenteux cristallins artificiels pourrait bien être à l'œuvre dans les cellules biologiques, conduisant le Pr Stupp à observer que « ces recherches pourraient nous aider à comprendre l'organisation des nanostructures dans les systèmes biologiques, et peut également avoir des applications dans le contrôle de la structure des matériaux.
