Stratégie de conception de nanofils protéine-ADN. Le nanofil protéine-ADN est auto-assemblé avec un homodimère de protéine conçu par ordinateur et un ADN double brin avec les sites de liaison aux protéines correctement agencés. Crédit :Yun (Kurt) Mou, Jiun-Yann Yu, Timothée M. Wannier, Chin-Lin Guo et Stephen L. Mayo/Caltech
La possibilité de concevoir sur mesure des matériaux biologiques tels que les protéines et l'ADN ouvre des possibilités technologiques inimaginables il y a quelques décennies à peine. Par exemple, des structures synthétiques faites d'ADN pourraient un jour être utilisées pour administrer des médicaments anticancéreux directement aux cellules tumorales, et des protéines personnalisées pourraient être conçues pour attaquer spécifiquement un certain type de virus. Bien que les chercheurs aient déjà fabriqué de telles structures à partir d'ADN ou de protéines seules, une équipe de Caltech a récemment créé, pour la première fois, une structure synthétique composée à la fois de protéines et d'ADN. La combinaison des deux types de molécules en un seul biomatériau ouvre la porte à de nombreuses applications.
Un article décrivant ce qu'on appelle les hybrides, ou à plusieurs composants, matériaux apparaît dans le numéro du 2 septembre de la revue La nature .
Les matériaux à composants multiples présentent de nombreux avantages, dit Yun (Kurt) Mou (PhD '15), premier auteur de la La nature étudier. « Si votre matériau est composé de plusieurs types de composants différents, il peut avoir plus de fonctionnalités. Par exemple, la protéine est très polyvalente; il peut être utilisé pour beaucoup de choses, telles que les interactions protéine-protéine ou comme enzyme pour accélérer une réaction. Et l'ADN est facilement programmé dans des nanostructures d'une variété de tailles et de formes."
Mais comment commencer à créer quelque chose comme un nanofil de protéine-ADN, un matériau que personne n'a vu auparavant ?
Mou et ses collègues du laboratoire de Stephen Mayo, Professeur Bren de biologie et de chimie et chaire de leadership William K. Bowes Jr. de la division de biologie et de génie biologique de Caltech, a commencé avec un programme informatique pour concevoir le type de protéine et d'ADN qui fonctionnerait le mieux dans le cadre de leur matériel hybride. "Les matériaux peuvent être formés en utilisant simplement une méthode d'essais et d'erreurs consistant à combiner des éléments pour voir quels résultats, mais c'est mieux et plus efficace si vous pouvez d'abord prédire à quoi ressemble la structure, puis concevoir une protéine pour former ce genre de matériau, " il dit.
Les chercheurs ont saisi les propriétés du nanofil protéine-ADN qu'ils voulaient dans un programme informatique développé en laboratoire; le programme a ensuite généré une séquence d'acides aminés (éléments constitutifs des protéines) et des bases azotées (éléments constitutifs de l'ADN) qui produiraient le matériau souhaité.
Structure co-cristalline de nanofils protéine-ADN. La conception des nanofils protéine-ADN est vérifiée expérimentalement par cristallographie aux rayons X. Crédit :Yun (Kurt) Mou, Jiun-Yann Yu, Timothée M. Wannier, Chin-Lin Guo et Stephen L. Mayo/Caltech
Cependant, réussir à fabriquer un matériau hybride n'est pas aussi simple que de simplement brancher certaines propriétés dans un programme informatique, dit Mou. Bien que le modèle informatique fournisse une séquence, le chercheur doit vérifier minutieusement le modèle pour s'assurer que la séquence produite a du sens; si non, le chercheur doit fournir à l'ordinateur des informations qui peuvent être utilisées pour corriger le modèle. « Alors à la fin, vous choisissez la séquence sur laquelle vous et l'ordinateur êtes tous les deux d'accord. Puis, vous pouvez mélanger physiquement les acides aminés et les bases d'ADN prescrits pour former le nanofil."
La séquence résultante était une version artificielle d'un couplage protéine-ADN qui se produit dans la nature. Au stade initial de l'expression des gènes, appelé transcription, une séquence d'ADN est d'abord convertie en ARN. Pour attirer l'enzyme qui transcrit réellement l'ADN en ARN, les protéines appelées facteurs de transcription doivent d'abord se lier à certaines régions de la séquence d'ADN appelées domaines de liaison aux protéines.
A l'aide du programme informatique, les chercheurs ont conçu une séquence d'ADN qui contenait plusieurs de ces domaines de liaison aux protéines à intervalles réguliers. Ils ont ensuite sélectionné le facteur de transcription qui se lie naturellement à ce site particulier de liaison aux protéines, le facteur de transcription appelé Engrailed de la mouche des fruits Drosophila. Cependant, dans la nature, Engrailed ne s'attache qu'au site de liaison aux protéines de l'ADN. Pour créer un long nanofil constitué d'un brin continu de protéine attaché à un brin continu d'ADN, les chercheurs ont dû modifier le facteur de transcription pour inclure un site qui permettrait également à Engrailed de se lier à la prochaine protéine de la lignée.
"Essentiellement, c'est comme donner à cette protéine deux mains au lieu d'une seule, " explique Mou. " La main qui tient l'ADN est facile car il est fourni par la nature, mais l'autre main doit y être ajoutée pour retenir une autre protéine."
Un autre attribut unique de ce nouveau nanofil protéine-ADN est qu'il utilise le co-assemblage, ce qui signifie que le matériau ne se formera pas tant que les composants protéiques et les composants ADN n'auront pas été ajoutés à la solution. Bien que les matériaux pouvaient auparavant être fabriqués à partir d'ADN avec des protéines ajoutées plus tard, l'utilisation du coassemblage pour fabriquer le matériau hybride était une première. Cet attribut est important pour l'utilisation future du matériau en médecine ou dans l'industrie, Mou dit, car les deux ensembles de composants peuvent être fournis séparément puis combinés pour fabriquer le nanofil quand et où il est nécessaire.
Cette découverte s'appuie sur des travaux antérieurs du laboratoire Mayo, lequel, en 1997, créé l'une des premières protéines artificielles, lançant ainsi le domaine de la conception informatique de protéines. La capacité de créer des protéines synthétiques permet aux chercheurs de développer des protéines avec de nouvelles capacités et fonctions, telles que les protéines thérapeutiques qui ciblent le cancer. La création d'un nanofil co-assemblé protéine-ADN est une autre étape importante dans ce domaine.
« Nos travaux antérieurs portaient principalement sur la conception de solutions solubles, systèmes uniquement protéiques. Les travaux rapportés ici représentent une expansion significative de nos activités dans le domaine des biomatériaux mixtes à l'échelle nanométrique, " dit Mayo.
Bien que le développement de ce nouveau biomatériau n'en soit qu'à ses débuts, la méthode, Mou dit, a de nombreuses applications prometteuses qui pourraient changer la recherche et les pratiques cliniques à l'avenir.
« Notre prochaine étape sera d'explorer les nombreuses applications potentielles de notre nouveau biomatériau, ", dit Mou. "Il pourrait être incorporé dans des méthodes pour administrer des médicaments dans les cellules - pour créer des thérapies ciblées qui ne se lient qu'à un certain biomarqueur sur un certain type de cellule, comme les cellules cancéreuses. Nous pourrions également étendre l'idée des nanofils protéine-ADN aux nanofils protéine-ARN qui pourraient être utilisés pour des applications de thérapie génique. Et parce que ce matériau est tout neuf, il y a probablement beaucoup d'autres applications que nous n'avons même pas encore envisagées."
