L'enveloppe d'un microcompartiment bactérien (ou BMC) est principalement composée de protéines hexagonales, avec des protéines pentagonales coiffant les sommets, semblable à un ballon de football (à gauche). Les scientifiques ont conçu l'une de ces protéines hexagonales, normalement dépourvu de tout centre métallique, pour lier un amas fer-soufre (bâtonnets orange et jaune, En haut à droite). Cet amas peut servir de relais électronique pour transférer des électrons à travers la coque. L'introduction de cette nouvelle fonctionnalité dans la coque d'un BMC étend considérablement leurs possibilités en tant que bio-nanoréacteurs sur mesure. Crédit :Clément Aussignargues/MSU; Cheryl Kerfeld et Markus Sutter/Laboratoire de Berkeley
Les scientifiques ont pour la première fois repensé un élément constitutif d'un nanocompartiment géométrique qui se produit naturellement dans les bactéries. Ils ont introduit un site de liaison métallique à sa coquille qui permettra aux électrons d'être transférés vers et depuis le compartiment. Cela offre une toute nouvelle fonctionnalité, élargissant considérablement le potentiel des nanocompartiments pour servir d'usines chimiques sur mesure.
Les scientifiques espèrent adapter cette nouvelle utilisation pour produire des produits chimiques à haute valeur ajoutée, comme les médicaments, sur demande.
Les nanocompartiments robustes, qui sont des coquilles polyédriques composées de côtés en forme de triangle et ressemblent à des dés à 20 faces, sont formées par des centaines de copies de seulement trois types différents de protéines. Leurs homologues naturels, appelés microcompartiments bactériens ou BMC, renferment une grande variété d'enzymes qui effectuent une chimie hautement spécialisée dans les bactéries.
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont conçu des structures de coque synthétiques dérivées de celles trouvées dans une tige en forme de tige, bactérie océanique, Haliangium ochraceum, et reconfiguré l'une des protéines de l'enveloppe pour qu'elle serve d'échafaudage à un amas fer-soufre présent dans de nombreuses formes de vie. Le cluster est connu comme un "cofacteur" car il peut servir de molécule auxiliaire dans les réactions biochimiques.
Les coques à base de BMC sont minuscules, durable et naturellement auto-assembler et auto-réparer, ce qui les rend mieux adaptées à une gamme d'applications que les nanostructures entièrement synthétiques.
Structure protéique naturelle à l'échelle atomique (au milieu) dans un microcompartiment bactérien polyédrique (à gauche), et une structure d'ingénierie (à droite) qui lie un amas fer-soufre (en bleu), en lui donnant une nouvelle fonction. La protéine modifiée a été produite en E. coli bactéries--l'image d'arrière-plan montre une image de micrographie électronique à balayage de E. coli . Crédit :Berkeley Lab, Instituts nationaux de la santé
"C'est la première fois que quelqu'un introduit une fonctionnalité dans une coque. Nous pensions que la fonctionnalité la plus importante à introduire était la capacité de transférer des électrons dans ou hors de la coque, " a déclaré Cheryl Kerfeld, un biologiste structural au Berkeley Lab et auteur correspondant dans cette étude. Le groupe de recherche de Kerfeld se concentre sur les BMC. Kerfeld détient des nominations conjointes avec la division Biophysique moléculaire et bioimagerie intégrée (MBIB) de Berkeley Lab, UC Berkeley et le laboratoire de recherche sur les plantes MSU-DOE de la Michigan State University (MSU).
"Cela améliore considérablement la polyvalence des types de produits chimiques que vous pouvez encapsuler dans la coque et le spectre des produits à produire, " dit-elle. " Généralement, les obus sont considérés comme de simples barrières passives."
Les chercheurs ont utilisé les rayons X à la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab pour montrer, en 3-D et à l'échelle atomique, comment le cluster fer-soufre introduit se lie à la protéine modifiée.
L'étude est maintenant en ligne dans le Journal de l'American Chemical Society .
Les enzymes à l'intérieur des BMC naturels peuvent convertir le dioxyde de carbone en composés organiques pouvant être utilisés par les bactéries, isoler les composés toxiques ou volatils de la cellule environnante, et effectuer d'autres réactions chimiques qui fournissent de l'énergie à la cellule.
Dans cette étude, les chercheurs ont introduit l'amas fer-soufre dans les minuscules pores du bloc de construction de l'enveloppe. Cette protéine modifiée sert de relais électronique à travers la coquille, qui est essentiel pour contrôler la réactivité chimique des substances à l'intérieur de la coquille.
Clément Aussignargues, l'auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral au Laboratoire de recherche sur les plantes MSU-DOE dans le Michigan, mentionné, "La beauté de notre système est que nous avons maintenant tous les outils, notamment la structure cristallographique de la protéine modifiée, modifier le potentiel redox du système, c'est-à-dire sa capacité à capter des électrons (réduction) ou à émettre des électrons (oxydation).
« Si nous pouvons contrôler cela, nous pouvons élargir la gamme de réactions chimiques que nous pouvons encapsuler dans la coque. La limite de ces applications sera ce que nous mettrons à l'intérieur des coques, pas les coquilles elles-mêmes.
Il ajouta, "Créer un nouveau microcompartiment à partir de zéro serait très, très compliqué. C'est pourquoi nous prenons ce que la nature a mis devant nous et essayons d'ajouter à ce que la nature peut faire."
Pour concevoir le site de liaison métallique, Le groupe de Kerfeld a d'abord dû résoudre les structures des blocs de construction du nanocompartiment à utiliser comme modèle pour la conception. Ces blocs de construction s'auto-assemblent en coques synthétiques, qui ne mesurent que 40 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, en diamètre. La forme naturelle des coquilles peut être jusqu'à 12 fois plus grande.
Le cofacteur fer-soufre de la protéine modifiée, qui a été produit dans la bactérie E. coli, était très stable même lorsqu'il était soumis à plusieurs cycles redox - une caractéristique essentielle pour les applications futures, dit Aussignargues. "La protéine modifiée était également plus stable que son homologue naturel, ce qui était une grande surprise, " a-t-il dit. " Vous pouvez le traiter avec des choses qui normalement font que les protéines se désagrègent et se détendent. "
Un défi majeur dans l'étude était de préparer la protéine modifiée dans un environnement sans oxygène pour former de minuscules cristaux qui préservent au mieux leur structure et leur cofacteur pour l'imagerie par rayons X, dit Kerfeld. Les cristaux ont été préparés dans une boîte à gants scellée à l'air à MSU, gelé, puis expédié pour des études aux rayons X à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) de l'ALS de Berkeley Lab et du SLAC National Accelerator Laboratory.
Dans le travail de suivi, l'équipe de recherche explore comment incorporer différents centres métalliques dans des coques BMC pour accéder à une gamme différente de réactivité chimique, elle a dit.
"Je travaille sur l'incorporation d'un centre métallique complètement différent, qui a un potentiel de réduction très positif par rapport au cluster fer-soufre, " a déclaré Jeff Plegaria, un chercheur postdoctoral au Laboratoire de recherche sur les plantes MSU-DOE qui a contribué à la dernière étude. "Mais c'est le même genre d'idée :faire entrer ou sortir des électrons du compartiment."
Il ajouta, "La prochaine étape consiste à encapsuler des protéines qui peuvent accepter des électrons dans les coquilles, et de l'utiliser comme sonde pour observer le transfert d'électrons de l'extérieur du compartiment vers l'intérieur. » Cela rapprochera les chercheurs de la création de types spécifiques de produits pharmaceutiques ou d'autres produits chimiques.
