Scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo, RIKEN, et l'Institut de technologie de Kyoto ont appliqué une conception de cristal rationnelle pour créer des cristaux de protéines avec un réseau poreux étendu pour accumuler des molécules exogènes à l'intérieur des cellules vivantes. Ce travail jette les bases de l'ingénierie de matériaux poreux cristallins auto-assemblants stables qui peuvent concentrer et préserver les substances bioactives dans divers types de cellules.

Dans la nature, les protéines sont assemblées en structures sophistiquées et hautement ordonnées, qui leur permettent d'exécuter de nombreuses fonctions soutenant différentes formes de vie. La conception exquise des protéines naturelles a incité les scientifiques à l'exploiter en biologie synthétique pour concevoir des molécules qui peuvent s'auto-assembler en nanoparticules avec la structure souhaitée et qui peuvent être utilisées à diverses fins telles que le stockage de gaz, catalyse enzymatique, administration intracellulaire de médicaments, etc.

Les virus de la polyédrose cytoplasmique (cypovirus) infectant les insectes sont incrustés dans des cristaux de protéines appelés polyèdres qui protègent le virus des dommages. La structure des cristaux de polyèdres (PhCs) suggère qu'ils peuvent servir de conteneurs robustes qui peuvent incorporer et protéger les molécules étrangères de la dégradation, assurant leur stabilité compositionnelle et fonctionnelle.

Aperçu des réalisations de la recherche

L'extrême stabilité des polyèdres dans des conditions difficiles est assurée par un compactage dense de monomères de polyédrine dans des cristaux avec des canaux de solvant de très faible porosité, lequel, cependant, limite l'incorporation de particules étrangères. Un groupe de recherche dirigé par Satoshi Abe et Takafumi Ueno du Tokyo Institute of Technology a émis l'hypothèse que si une structure poreuse à l'intérieur des PhC est étendue sans compromettre la stabilité cristalline, Les PhC peuvent être utilisés pour l'accumulation et le stockage de molécules exogènes dans des cellules vivantes. Comme dans les PhC naturels, les monomères de polyédrine forment un trimère, les scientifiques ont supposé que si les résidus d'acides aminés à l'interface de contact de chaque trimère sont supprimés, la porosité des cristaux résultants serait augmentée. Pour atteindre cet objectif, ils ont génétiquement modifié des monomères de polyédrine, qui ont ensuite été exprimés et auto-assemblés dans Spodoptera frugiperda IPLB-Sf21AE, la larve d'une chenille légionnaire, infecté par le baculovirus. Les PhC mutants maintenaient le réseau cristallin du PhC de type sauvage, mais présentaient une porosité significativement étendue (figure) en raison de la suppression des résidus d'acides aminés avec le réarrangement des liaisons hydrogène intra- et intermoléculaires. Par conséquent, les cristaux modifiés pourraient adsorber 2 à 4 fois plus de molécules exogènes (colorants fluorescents) que le PhC de type sauvage, avec jusqu'à 5, Condensation 000 fois des colorants de la solution à 10 uM.

Comme prochaine étape, les scientifiques ont examiné les performances des cristaux mutants dans des cellules d'insectes vivantes. Les PhCs ont montré une stabilité élevée dans l'environnement intracellulaire. Plus important encore, les cristaux mutants pourraient accumuler et retenir les colorants dans les cellules vivantes, alors que les cristaux naturels ne le pouvaient pas.

La conception rationnelle des cristaux utilisée par les scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo fournit un outil puissant pour la manipulation structurelle de cristaux de protéines auto-assemblés afin d'obtenir des nanomatériaux poreux dotés de propriétés d'adsorption régulées. Les PhC poreux modifiés peuvent être utilisés comme conteneurs de protéines pour l'analyse in vivo de la structure cristalline des molécules cellulaires et la chimie bioorthogonale dans divers types de cellules vivantes.

Analyse structurale de microcristaux

Étant donné que de minuscules cristaux de quelques microns seulement ont été obtenus, les analyses de structure ont été effectuées sur les lignes de lumière BL32XU et BL41XU au SPring-8, une grande installation de rayonnement synchrotron qui délivre le rayonnement synchrotron le plus puissant. Les structures à haute résolution ont été rapidement analysées à l'aide d'un système de collecte de données automatisé développé dans RIKEN.