Représentation de peptides s'auto-assemblant en nanofils sur une surface 2-D du graphène semi-métallique. Crédit :Mehmet Sarikaya
La vie a toujours joué selon son propre ensemble de règles moléculaires. De la biochimie derrière les premières cellules, l'évolution a construit des merveilles comme les os durs, écorce rugueuse et enzymes végétales qui récoltent la lumière pour faire de la nourriture.
Mais nos outils pour manipuler la vie - pour traiter la maladie, réparer les tissus endommagés et remplacer les membres perdus - proviennent du domaine non vivant :métaux, plastiques et similaires. Bien que ceux-ci sauvent et préservent des vies, nos traitements synthétiques s'enracinent dans un langage chimique peu adapté à notre élégance organique. Cicatrice d'électrodes implantées, les fils surchauffent et notre corps lutte contre des pompes mal ajustées, tuyaux ou vannes.
Une solution consiste à combler ce fossé entre l'artificiel et le biologique, en exploitant les règles biologiques pour échanger des informations entre la biochimie de notre corps et la chimie de nos appareils. Dans un article publié le 22 septembre dans Rapports scientifiques , des ingénieurs de l'Université de Washington ont dévoilé des peptides - de petites protéines qui effectuent d'innombrables tâches essentielles dans nos cellules - qui peuvent fournir un tel lien.
L'équipe, dirigé par le professeur UW Mehmet Sarikaya dans les départements de science et génie des matériaux, montre comment un peptide génétiquement modifié peut s'assembler en nanofils au sommet de la 2-D, surfaces solides qui ne sont qu'une seule couche d'atomes d'épaisseur. Ces assemblages de nanofils sont essentiels car les peptides transmettent des informations à travers l'interface bio/nano par le biais de la reconnaissance moléculaire, les mêmes principes qui sous-tendent les interactions biochimiques telles qu'un anticorps se liant à son antigène spécifique ou une protéine se liant à l'ADN.
Étant donné que cette communication est bidirectionnelle, avec des peptides comprenant le "langage" de la technologie et vice versa, leur approche permet essentiellement une interface bioélectronique cohérente.
Vue de dessus des nanofils GrBP5 sur une surface 2-D de graphène. Crédit :Mehmet Sarikaya/ Rapports scientifiques
« Combler ce fossé serait la clé pour construire les dispositifs à l'état solide biomoléculaires génétiquement modifiés du futur, " dit Sarikaya, qui est également professeur de génie chimique et de sciences de la santé bucco-dentaire.
Son équipe du UW Genetically Engineered Materials Science and Engineering Center étudie comment coopter la chimie de la vie pour synthétiser des matériaux avec des propriétés physiques technologiquement significatives, propriétés électroniques et photoniques. A Sarikaya, le « langage » biochimique de la vie est une émulation logique.
"La nature doit constamment fabriquer des matériaux pour accomplir bon nombre des tâches que nous recherchons, " il a dit.
L'équipe de l'UW souhaite trouver des peptides génétiquement modifiés dotés de propriétés chimiques et structurelles spécifiques. Ils ont recherché un peptide qui pourrait interagir avec des matériaux tels que l'or, titane et même un minéral dans les os et les dents. Ceux-ci pourraient tous constituer la base de futurs dispositifs biomédicaux et électro-optiques. Leur peptide idéal devrait également modifier les propriétés physiques des matériaux synthétiques et répondre à ce changement. De cette façon, il transmettrait des « informations » du matériau synthétique à d'autres biomolécules, comblant ainsi le fossé chimique entre la biologie et la technologie.
En explorant les propriétés de 80 peptides sélectionnés génétiquement - qui ne se trouvent pas dans la nature mais qui ont les mêmes composants chimiques de toutes les protéines - ils ont découvert que celui-ci, GrBP5, ont montré des interactions prometteuses avec le graphène semi-métallique. Ils ont ensuite testé les interactions du GrBP5 avec plusieurs nanomatériaux 2D qui, Sarikaya a dit, "pourrait servir de métaux ou de semi-conducteurs du futur."
Une image vue de dessus des nanofils GrBP5 sur une surface 2-D de bisulfure de molybdène. Crédit :Mehmet Sarikaya/ Rapports scientifiques
« Nous avions besoin de connaître les interactions moléculaires spécifiques entre ce peptide et ces surfaces solides inorganiques, " il ajouta.
Leurs expériences ont révélé que GrBP5 s'organisait spontanément en motifs de nanofils ordonnés sur le graphène. Avec quelques mutations, GrBP5 a également modifié la conductivité électrique d'un dispositif à base de graphène, la première étape vers la transmission d'informations électriques du graphène aux cellules via des peptides.
En parallèle, L'équipe de Sarikaya a modifié GrBP5 pour produire des résultats similaires sur un matériau semi-conducteur, le bisulfure de molybdène, en convertissant un signal chimique en un signal optique. Ils ont également prédit par ordinateur comment différents arrangements de nanofils GrBP5 affecteraient la conduction électrique ou le signal optique de chaque matériau, montrant un potentiel supplémentaire dans les propriétés physiques du GrBP5.
"Dans un sens, nous sommes aux portes du déluge, " a déclaré Sarikaya. "Maintenant, nous devons explorer les propriétés de base de ce pont et comment nous pouvons le modifier pour permettre le flux d'"informations" des dispositifs électroniques et photoniques vers les systèmes biologiques."
