Les chercheurs ont mis au point une méthode simple pour fabriquer des chaînes protéiques courtes avec des structures en spirale qui peuvent également se dissoudre dans l'eau, deux traits désirables que l'on ne trouve pas souvent ensemble. De telles structures pourraient avoir des applications en tant que blocs de construction pour des nanostructures auto-assemblées et en tant qu'agents pour l'administration de médicaments et de gènes.

Dirigé par Jianjun Cheng, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois, l'équipe de recherche publiera ses conclusions dans l'édition du 22 février de la revue Communication Nature .

Les scientifiques des matériaux se sont intéressés à la conception de grosses molécules de polymère qui pourraient être utilisées comme blocs de construction pour des structures à auto-assemblage. Le défi a été que les molécules adoptent généralement une forme globulaire, forme sphérique, limitant leur capacité à former des agrégats ordonnés. Cependant, les polypeptides – chaînes d'acides aminés telles que les protéines – peuvent former des structures hélicoïdales. Les chaînes polypeptidiques courtes qui adoptent une forme en spirale agissent comme des tiges cylindriques.

"Si vous avez deux tiges rigides, un positif et un négatif, l'un à côté de l'autre, ils vont se coller les uns aux autres. Si vous avez un moyen de mettre la charge à la surface, alors ils peuvent s'emballer ensemble dans une fermeture, manière compacte, ils forment donc une structure tridimensionnelle, " dit Cheng.

Cependant, il est difficile de fabriquer des polypeptides hélicoïdaux qui soient solubles dans l'eau afin qu'ils puissent être utilisés en solution. Les polypeptides tirent leur solubilité des chaînes latérales – des structures moléculaires qui découlent de chaque lien d'acide aminé dans la chaîne polypeptidique. Les acides aminés avec des charges positives ou négatives dans leurs chaînes latérales sont nécessaires pour qu'un polypeptide se disperse dans l'eau.

Le problème se pose lorsque des chaînes avec des chaînes latérales chargées forment des structures hélicoïdales. Les charges provoquent une forte répulsion entre les chaînes latérales, ce qui déstabilise la conformation hélicoïdale. Cela amène les polypeptides solubles dans l'eau à former des structures d'hélices aléatoires au lieu des hélices souhaitées.

En explorant des solutions à l'énigme de l'hélice, polypeptides hydrosolubles, les chercheurs ont essayé plusieurs méthodes compliquées. Par exemple, les scientifiques ont tenté de greffer des produits chimiques hautement solubles dans l'eau aux chaînes latérales pour augmenter la solubilité globale des polypeptides, ou créer des hélices avec des charges d'un seul côté.

"Vous pouvez obtenir la structure hélicoïdale et la solubilité, mais vous devez concevoir la structure hélicoïdale d'une manière très spéciale. La conception du peptide a besoin d'une séquence très spécifique. Ensuite, vous êtes très limité dans le type de polypeptide que vous pouvez construire, et il n'est pas facile de concevoir ou de manipuler ces polypeptides, " dit Cheng.

En revanche, Le groupe de Cheng a développé une solution très simple. Puisque la proximité des charges provoque la répulsion qui perturbe l'hélice, les chercheurs ont simplement allongé les chaînes latérales, déplacer les charges plus loin de l'épine dorsale et leur donner plus de liberté pour garder leurs distances les unes des autres.

Les chercheurs ont observé qu'en augmentant la longueur des chaînes latérales avec des charges à l'extrémité, la propension des polypeptides à former des hélices a également augmenté.

« C'est une idée si simple :éloigner la charge de la colonne vertébrale, " a déclaré Cheng. " Ce n'est pas difficile du tout de faire des chaînes latérales plus longues, et il a des propriétés étonnantes pour enrouler des structures hélicoïdales simplement en repoussant la distance entre la charge et l'épine dorsale."

Le groupe a découvert que non seulement les polypeptides avec de longues chaînes latérales forment des hélices, ils présentent une stabilité remarquable même par rapport aux hélices non chargées. Les hélices semblent immunisées contre la température, pH, et d'autres agents dénaturants qui dérouleraient la plupart des polypeptides.

Cela peut expliquer pourquoi les acides aminés avec de grandes chaînes latérales hydrophobes ne sont pas trouvés dans la nature. Une telle immutabilité empêcherait l'enroulement et le déroulement dynamique des structures protéiques, qui est essentiel à de nombreux processus biologiques. Cependant, la stabilité rigide est un trait souhaitable pour les types d'applications que le groupe de Cheng explore :les nanostructures pour l'administration de médicaments et de gènes, ciblant en particulier les tumeurs cancéreuses et les cellules souches.

"Nous voulons tester la corrélation des longueurs des hélices et de la circulation dans le corps pour voir quel est l'impact de la forme et de la charge et des chaînes latérales pour le dégagement dans le corps, " a déclaré Cheng. " Des études récentes montrent que le rapport d'aspect des nanostructures - structures sphériques par rapport aux tubes - a un impact énorme sur leur pénétration dans les tissus tumoraux et les demi-vies de circulation dans le corps. "

Cheng prévoit de créer une bibliothèque de polypeptides hélicoïdaux courts de différentes longueurs de squelette, longueurs des chaînes latérales et types de charge. Il espère simplifier encore plus la chimie et rendre les matériaux largement accessibles. Son laboratoire a déjà démontré que les structures hélicoïdales peuvent être des agents efficaces de délivrance de gènes et de transduction membranaire, et la construction de la bibliothèque de molécules hélicoïdales solubles permettra d'approfondir l'étude de l'adaptation de ces nanostructures pour des applications biomédicales spécifiques.