Illustration d'un nanotube de carbone à paroi unique enveloppé d'ADN. Crédit :Benjamin Lambert, EPFL
Le prix Nobel de chimie 2018 a été décerné à trois scientifiques qui ont développé la méthode qui a changé à jamais l'ingénierie des protéines :l'évolution dirigée. Imitant l'évolution naturelle, l'évolution dirigée guide la synthèse de protéines aux fonctions améliorées ou nouvelles.
D'abord, la protéine d'origine est mutée pour créer une collection de variantes de protéines mutantes. Les variants protéiques qui présentent des fonctions améliorées ou plus souhaitables sont sélectionnés. Ces protéines sélectionnées sont ensuite mutées une fois de plus pour créer une autre collection de variantes de protéines pour un autre cycle de sélection. Ce cycle se répète jusqu'à une finale, la protéine mutée évolue avec des performances optimisées par rapport à la protéine d'origine.
Maintenant, des scientifiques du laboratoire d'Ardemis Boghossian à l'EPFL, ont pu utiliser l'évolution dirigée pour construire non pas des protéines, mais des nanoparticules synthétiques. Ces nanoparticules sont utilisées comme biocapteurs optiques – de minuscules dispositifs qui utilisent la lumière pour détecter des molécules biologiques dans l'air, l'eau, ou du sang. Les biocapteurs optiques sont largement utilisés dans la recherche biologique, développement de médicaments, et diagnostics médicaux, tels que la surveillance en temps réel de l'insuline et du glucose chez les diabétiques.
"La beauté de l'évolution dirigée est que nous pouvons concevoir une protéine sans même savoir comment sa structure est liée à sa fonction, " dit Boghossian. " Et nous n'avons même pas cette information pour le vaste, grande majorité des protéines."
Principe général de l'approche d'évolution dirigée appliquée aux complexes nanoparticules ADN-SWCNT. Le complexe de départ est un DNA-SWCNT avec un faible signal optique. Ceci est évolué par évolution dirigée :(1) mutation aléatoire de la séquence d'ADN; (2) enrobage des SWCNT avec l'ADN et criblage du signal optique du complexe ; (3) sélection des complexes ADN-SWCNT présentant un signal optique amélioré. Après plusieurs cycles d'évolution, nous pouvons développer des complexes ADN-SWCNT qui présentent un comportement optique amélioré. Crédit :Benjamin Lambert (EPFL)
Son groupe a utilisé l'évolution dirigée pour modifier les propriétés optoélectroniques des nanotubes de carbone à paroi unique enveloppés d'ADN (ou, ADN-SWCNTs, comme ils sont abrégés), qui sont des tubes nanométriques d'atomes de carbone qui ressemblent à des feuilles de graphène enroulées recouvertes d'ADN. Lorsqu'ils détectent leur cible, les DNA-SWCNTs émettent un signal optique qui peut pénétrer à travers des fluides biologiques complexes, comme le sang ou l'urine.
En utilisant une approche d'évolution dirigée, L'équipe de Boghossian a pu concevoir de nouveaux ADN-SWCNT avec des signaux optiques augmentés jusqu'à 56% - et ils l'ont fait sur seulement deux cycles d'évolution.
"La majorité des chercheurs dans ce domaine se contentent de filtrer de grandes bibliothèques de différents matériaux dans l'espoir d'en trouver une avec les propriétés qu'ils recherchent, " dit Boghossian. " Dans les nanocapteurs optiques, nous essayons d'améliorer des propriétés comme la sélectivité, luminosité, et sensibilité. En appliquant l'évolution dirigée, nous proposons aux chercheurs une approche guidée de l'ingénierie de ces nanocapteurs."
L'étude montre que ce qui est essentiellement une technique de bio-ingénierie peut être utilisé pour régler plus rationnellement les propriétés optoélectroniques de certains nanomatériaux. Boghossian explique :« Des domaines comme la science des matériaux et la physique sont principalement préoccupés par la définition des relations structure-fonction des matériaux, rendant les matériaux dépourvus de ces informations difficiles à concevoir. Mais c'est un problème que la nature a résolu il y a des milliards d'années - et, au cours des dernières décennies, les biologistes s'y sont aussi attaqués. Je pense que notre étude montre qu'en tant que scientifiques et physiciens des matériaux, nous pouvons encore tirer quelques leçons pragmatiques des biologistes."
