(Phys.org) — Une voie pour la construction de nanomachines à protéines conçues pour des applications spécifiques pourrait être plus proche de la réalité.

Les systèmes biologiques produisent une gamme incroyable d'auto-assemblage, outils protéiques fonctionnels. Quelques exemples de ces matériaux protéiques à l'échelle nanométrique sont des échafaudages pour ancrer les activités cellulaires, moteurs moléculaires pour conduire des événements physiologiques, et des capsules pour délivrer des virus dans des cellules hôtes.

Les scientifiques inspirés par ces machines moléculaires sophistiquées veulent construire les leurs, avec des formes et des fonctions personnalisées pour relever les défis des temps modernes.

La capacité de concevoir de nouvelles nanostructures de protéines pourrait avoir des implications utiles dans l'administration ciblée de médicaments, dans le développement de vaccins et en plasmonique—manipulation de signaux électromagnétiques pour guider la diffraction de la lumière pour les technologies de l'information, production d'énergie ou d'autres utilisations.

Une méthode de calcul récemment développée peut être une étape importante vers cet objectif. Le projet a été dirigé par Neil King de l'Université de Washington, chercheur translationnel; Jacob Balé, étudiant diplômé en biologie moléculaire et cellulaire; et William Sheffler dans le laboratoire de David Baker à l'Institute for Protein Design de l'Université de Washington, en collaboration avec des collègues de l'UCLA et de Janelia Farm.

Le travail est basé sur le progiciel de modélisation macromoléculaire Rosetta développé par Baker et ses collègues. Le programme a été créé à l'origine pour prédire les structures naturelles des protéines à partir de séquences d'acides aminés. Les chercheurs du laboratoire Baker et du monde entier utilisent de plus en plus Rosetta pour concevoir de nouvelles structures et séquences de protéines visant à résoudre des problèmes du monde réel.

"Les protéines sont des structures étonnantes qui peuvent faire des choses remarquables, " Le roi dit, "ils peuvent répondre aux changements de leur environnement. Exposition à un métabolite particulier ou à une élévation de température, par exemple, peut déclencher une altération de la forme et de la fonction d'une protéine particulière. » Les gens appellent souvent les protéines les éléments constitutifs de la vie.

"Mais contrairement à, dire, un tuyau en PVC, " Le roi dit, « ils ne sont pas simplement des matériaux de construction. Ce sont aussi des ouvriers de la construction (et de la démolition) qui accélèrent les réactions chimiques, décomposer la nourriture, porter des messages, interagir les uns avec les autres, et accomplir d'innombrables autres tâches essentielles à la vie.

Reportage dans le numéro du 5 juin de La nature , les chercheurs décrivent le développement et l'application du nouveau logiciel Rosetta permettant la conception de nouveaux nanomatériaux protéiques composés de plusieurs copies de sous-unités protéiques distinctes, qui s'ordonnent dans un ordre supérieur, architectures symétriques.

Avec le nouveau logiciel, les scientifiques ont pu créer cinq romans, Nanomatériaux protéiques de type cage à 24 sous-unités. Surtout, les structures réelles, les chercheurs ont observé, étaient en très bon accord avec leur modélisation informatique.

Leur méthode dépend du codage de paires de séquences d'acides aminés protéiques avec les informations nécessaires pour diriger l'assemblage moléculaire à travers les interfaces protéine-protéine. Les interfaces fournissent non seulement les forces énergétiques qui conduisent le processus d'assemblage, ils orientent également avec précision les paires de blocs de construction de protéines avec la géométrie requise pour produire les architectures symétriques de type cage souhaitées.

En créant cette protéine en forme de cage, les scientifiques ont dit, peut être un premier pas vers la construction de conteneurs à l'échelle nanométrique. King a déclaré qu'il attendait avec impatience le moment où les molécules de médicaments anticancéreux seront emballées à l'intérieur de nanocages conçues et livrées directement aux cellules tumorales, en épargnant les cellules saines.

"Le problème aujourd'hui avec la chimiothérapie anticancéreuse, c'est qu'elle frappe chaque cellule et rend le patient malade, ", a déclaré King. L'emballage des médicaments dans des nanovéhicules personnalisés avec des options de stationnement limitées aux sites de cancer pourrait contourner les effets secondaires.

Les scientifiques notent que la combinaison de seulement deux types d'éléments de symétrie, comme dans cette étude, peut en théorie donner lieu à une gamme de formes symétriques, tels que les groupes de points cubiques, hélices, couches, et cristaux.

King a expliqué que le système immunitaire réagit aux motifs symétriques, tels que ceux à la surface d'un virus ou d'une bactérie pathogène. La construction de nano-leurres peut être un moyen d'entraîner le système immunitaire à attaquer certains types d'agents pathogènes.

« Ce concept pourrait devenir le fondement de vaccins basés sur des nanomatériaux manufacturés, " dit King. Plus loin sur la route, lui et Bale prévoient que ces méthodes de conception pourraient également être utiles pour développer de nouvelles technologies d'énergie propre.

Les scientifiques ont ajouté dans leur rapport, "Le contrôle précis de la géométrie de l'interface offert par notre méthode permet la conception de nanomatériaux protéiques à deux composants avec diverses caractéristiques à l'échelle nanométrique, comme les surfaces, pores, et volumes internes, avec une grande précision."

Ils ont poursuivi en disant que les combinaisons possibles avec des matériaux à deux composants augmentent considérablement le nombre et la variété des nanomatériaux potentiels qui pourraient être conçus.

Il peut être possible de produire des nanomatériaux dans une variété de tailles, formes et agencements, et également passer à la construction de matériaux de plus en plus complexes à partir de plus de deux composants.

Les chercheurs ont souligné que l'objectif à long terme de telles structures n'est pas d'être statique. L'espoir est qu'ils imitent ou dépassent les performances dynamiques des assemblages de protéines naturelles, et que de nouvelles machines à protéines moléculaires pourraient éventuellement être fabriquées avec des fonctions programmables.

Les chercheurs ont souligné que bien que la conception de protéines et de nanomatériaux à base de protéines soit très difficile en raison de la complexité relative des structures et des interactions des protéines, il y a maintenant plus d'une poignée de laboratoires dans le monde qui font des progrès majeurs dans ce domaine. Chacun des principaux contributeurs a des atouts clés, ils ont dit. Les points forts de l'équipe UW résident dans la précision de la correspondance des protéines conçues avec les modèles informatiques et la prévisibilité des résultats.