Les biochimistes de l'UCLA ont conçu des protéines spécialisées qui s'assemblent pour former de minuscules cages moléculaires des centaines de fois plus petites qu'une seule cellule. La création de ces structures miniatures peut être la première étape vers le développement de nouvelles méthodes d'administration de médicaments ou même la conception de vaccins artificiels.

"C'est la première démonstration décisive d'une approche qui peut être utilisée pour combiner des molécules de protéines entre elles pour créer toute une gamme de matériaux à l'échelle nanométrique, " a déclaré Todd Yeates, professeur de chimie et de biochimie à l'UCLA et membre de l'Institut de génomique et de protéomique UCLA-DOE et du California NanoSystems Institute de l'UCLA.

Publié le 1er juin dans la revue Science , la recherche pourrait être utilisée pour créer des cages à partir de n'importe quel nombre de protéines différentes, avec des applications potentielles dans les domaines de la médecine et de la biologie moléculaire.

Yen-Ting Lai, étudiant diplômé de l'UCLA, auteur principal de l'étude, utilisé des modèles informatiques pour identifier deux protéines qui pourraient être combinées pour former des pièces de puzzle tridimensionnelles parfaitement formées. Douze de ces pièces spécialisées s'assemblent pour créer une cage moléculaire d'une fraction de la taille d'un virus.

"Si vous connectez simplement deux protéines aléatoires ensemble, vous vous attendez à avoir un réseau irrégulier, " dit Yeates, auteur principal de l'étude. "Afin de contrôler la géométrie, l'idée était de faire un lien rigide maintenant les deux protéines en place comme s'il s'agissait de pièces d'un puzzle."

Les protéines spécialement conçues s'imbriquent pour former un réseau creux qui pourrait servir de vaisseau pour l'administration de médicaments, il a dit.

"En principe, il serait possible d'attacher une séquence de reconnaissance des cellules cancéreuses à l'extérieur de la cage, avec une toxine ou une autre "balle magique" contenue à l'intérieur, " dit Yeates. " De cette façon, le médicament pourrait être délivré directement à certaines cibles comme les cellules tumorales. »

À ce stade, les cages à protéines assemblées sont suffisamment poreuses pour qu'un médicament placé à l'intérieur s'échappe probablement pendant le processus d'administration, dit Laï. Son prochain projet consistera à construire une nouvelle cage moléculaire avec un intérieur qui sera mieux scellé.

Une autre utilisation des structures protéiques polyvalentes pourrait être en tant que vaccins artificiels. Certains vaccins traditionnels utilisent une protéine de surface inactive d'un virus pour faire croire au système immunitaire du corps qu'il est attaqué. Cette méthode n'est pas toujours efficace, car parfois la protéine en question ne ressemble pas assez au virus pour déclencher une forte réponse des défenseurs du corps.

Cependant, en décorant la surface d'une cage moléculaire avec de multiples copies de protéines d'identification de virus, les minuscules structures pourraient mieux imiter un virus, stimuler une réponse immunitaire encore plus forte qu'un vaccin traditionnel et mieux protéger le receveur humain de la maladie.

Avant que ces structures protéiques puissent être utilisées dans des applications médicales, les conteneurs moléculaires eux-mêmes doivent être construits à partir de protéines de type humain, plutôt que les protéines bactériennes actuellement utilisées que le corps humain pourrait immédiatement éliminer de la circulation, a dit Yeates.

"Notre premier défi sera de répéter ce genre de conceptions avec des molécules qui sont moins susceptibles de générer une réponse immunitaire de l'hôte, " dit-il. " En général, nous voulons utiliser des protéines qui ressemblent à des protéines humaines afin que le corps ne les reconnaisse pas comme étrangères."

L'idée de construire un complexe, Les structures de protéines auto-assemblées sont l'ambition de Yeates depuis qu'il a publié un article décrivant les travaux préliminaires sur cette méthode en 2001. Pourtant, le concept est resté en veilleuse pendant 10 ans jusqu'à ce que Yen-Ting Lai rejoigne le groupe de recherche de Yeates. Avec trois masters — en biologie structurale, bioinformatique et génie biomédical — Lai avait la bonne combinaison de compétences pour mener à bien la recherche, a dit Yeates.

Ce projet est financé par le gouvernement fédéral par la National Science Foundation. Les autres co-auteurs incluent le scientifique principal de l'UCLA, Duilio Cascio.

Une deuxième percée

Un deuxième article co-écrit par Yeates crée des cages moléculaires de conception similaire en utilisant plusieurs copies de la même protéine comme éléments constitutifs. Les scientifiques contrôlent la forme de la cage en calculant la séquence d'acides aminés nécessaire pour lier les protéines entre elles aux angles corrects. La recherche, également publié aujourd'hui dans Science , résulte d'une collaboration entre l'équipe de l'UCLA et le professeur David Baker de l'Université de Washington.

Cette méthode alternative représente une approche plus polyvalente car elle ne nécessite qu'un seul type de protéine pour former une structure, a dit Yeates. Cependant, concevoir différents types de liens entre des protéines identiques reste un défi majeur. Auteur principal Neil King, chercheur postdoctoral à l'Université de Washington et ancien étudiant de Yeates, a pris les nombreuses possibilités générées par ordinateur et a testé chaque version expérimentalement jusqu'à ce qu'il en trouve une qui produise le bon comportement.