De longues molécules organiques appelées peptoïdes s'auto-assemblent en un film moléculaire à la surface d'une solution aqueuse. Lorsque ce film est plié en une nanofeuille, des segments du peptoïde sont poussés en boucles, qui finissent par décorer la surface de la nanofeuille. Crédit :Berkeley Lab
S'inspirant du système immunitaire humain, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont créé un nouveau matériau qui peut être programmé pour identifier une variété infinie de molécules. Le nouveau matériau ressemble à de minuscules feuilles de Velcro, chacun à peine cent nanomètres de diamètre. Mais au lieu de sécuriser vos baskets, ce velcro moléculaire imite la façon dont les anticorps naturels reconnaissent les virus et les toxines, et pourrait conduire à une nouvelle classe de biocapteurs.
« Les anticorps ont une conception architecturale vraiment efficace :un échafaudage structurel qui reste à peu près le même, que ce soit pour le venin de serpent ou le rhume, et des boucles fonctionnelles infiniment variables qui lient les envahisseurs étrangers, " dit Ron Zuckermann, un scientifique principal à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. "Nous avons imité ça ici, avec un échafaudage en nanofeuilles bidimensionnel recouvert de petites boucles fonctionnelles comme du velcro."
Zuckermann, Directeur de l'Installation de Nanostructures Biologiques de la Fonderie Moléculaire, est l'auteur correspondant d'un article rapportant ces résultats dans ACS Nano , intitulé « Nanofeuillets peptoïdes mimétiques d'anticorps pour la reconnaissance moléculaire ». Les co-auteurs de l'article sont Gloria K. Olivier, André Cho, Babak Sanii, Michael D. Connolly, et Hélène Tran.
Les échafaudages de nanofeuilles de Zuckermann sont auto-assemblés à partir de peptoïdes - synthétiques, polymères bio-inspirés capables de se replier dans des architectures de type protéine. Comme des perles sur une ficelle, chaque molécule peptoïde est une longue chaîne de petites unités moléculaires disposées selon un motif spécifique. Dans des travaux antérieurs, Zuckermann a montré comment certains peptoïdes simples peuvent se replier en nanofeuillets de quelques nanomètres d'épaisseur mais jusqu'à cent micromètres de diamètre, des dimensions équivalentes à une feuille de plastique d'un millimètre d'épaisseur de la taille d'un terrain de football.
"La raison pour laquelle les nanofeuillets se forment, c'est parce qu'il y a un code pour cela programmé directement dans les peptoïdes, " dit Zuckermann. " Dans ce cas, il s'agit certes d'un programme assez rudimentaire, mais cela montre comment si vous apportez juste un peu d'informations sur la séquence :Boom ! Vous pouvez faire une nanofeuille."
Le "velcro moléculaire" inspiré des anticorps conçu au Berkeley Lab pourrait conduire à une nouvelle classe de biocapteurs. Les chercheurs se sont inspirés de l'architecture d'un anticorps naturel (à gauche) pour concevoir un nouveau matériau qui ressemble à de minuscules feuilles de Velcro (à droite). Crédit :Berkeley Lab
Pour créer des boucles fonctionnelles sur les nanofeuillets, les chercheurs insèrent de courts segments moléculaires dans des polymères peptoïdes formant des nanofeuillets. Au fur et à mesure que les peptoïdes se tricotent en feuilles, les segments insérés sont exclus du pli, poussé à la place en boucles sur la surface de la nanofeuille. Les boucles fonctionnelles peuvent être programmées pour lier sélectivement certaines enzymes ou matériaux inorganiques, ce qui rend le nouveau matériau prometteur pour la détection chimique et la catalyse.
"L'avantage ici, c'est que nous sommes capables de fabriquer ces matériaux à très haut rendement, " dit Gloria Olivier, chercheur postdoctoral et auteur principal de l'article. "Nous empruntons cette idée d'enchaîner une séquence particulière de monomères, que la nature utilise pour construire des structures protéiques en 3D, et en l'appliquant au monde des matériaux non naturels, pour créer un matériau vraiment utile qui peut s'assembler."
Les chercheurs ont démontré la flexibilité de leur méthode en créant des nanofeuillets avec des boucles de composition variable, longueur, et densité; ils ont fabriqué des nanofeuillets qui peuvent extraire des enzymes spécifiques d'une solution, provoquant des changements chimiques qui peuvent être détectés avec des techniques standard, et d'autres qui se lient sélectivement au métal doré, en semant la croissance de nanoparticules et de films d'or.
"Les peptoïdes peuvent résister à des conditions beaucoup plus difficiles que les peptides, leur contrepartie dans la nature, " dit Olivier. " Donc si vous vouliez construire un appareil de diagnostic qui puisse être emporté en dehors d'un laboratoire, ou un dispositif capable de cribler des biomarqueurs en présence d'un mélange de protéines comme des protéases, les peptoïdes sont un excellent choix."
Au-delà des applications passionnantes, Zuckermann souligne que ce travail représente une étape importante vers l'extension des règles de repliement des protéines au monde des matériaux synthétiques.
Dit Zuckermann, "C'est en quelque sorte l'objet de tout mon programme de recherche :apprendre de la richesse des informations sur les séquences chimiques trouvées en biologie pour créer de nouveaux types de matériaux synthétiques avancés. Nous commençons vraiment à gratter la surface."
