L'art ancien du pliage du papier connu sous le nom d'origami est utilisé pour fabriquer des oiseaux complexes ou d'autres formes. Inspiré par le travail de l'origami ADN, dans lequel les nanostructures sont constituées d'ADN replié, une équipe d'ingénieurs de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis a trouvé une nouvelle façon de créer des nanostructures de protéines à chaîne unique en utilisant des techniques de biologie synthétique et d'assemblage de protéines.

L'équipe a créé des nanostructures, sous la forme de triangles et de carrés, à l'aide de blocs de construction de protéines stables. Ces nanostructures de protéines peuvent supporter des températures élevées et des conditions chimiques difficiles, les deux ne sont pas possibles avec les nanostructures à base d'ADN. À l'avenir, ces nanostructures de protéines pourraient être utilisées pour améliorer les capacités de détection, accélérer les réactions chimiques, dans l'administration de médicaments et d'autres applications.

En essayant de créer des nanostructures de protéines adaptées à des applications particulières, les chercheurs apportent généralement des modifications aux structures protéiques existantes, telles que les particules virales. Cependant, les formes de nanostructures qui peuvent être réalisées en utilisant cette approche sont limitées à ce que la nature offre. Maintenant, Fuzhong Zhang, professeur agrégé d'énergie, génie environnemental et chimique, et les membres de son laboratoire ont développé une approche ascendante pour construire des nanostructures 2D, essentiellement en partant de zéro.

"Construire quelque chose que la nature n'a pas offert est plus excitant, " a déclaré Zhang. "Nous avons pris des protéines repliées individuellement et les avons utilisées comme blocs de construction, puis les a assemblés pièce par pièce afin que nous puissions créer des nanostructures sur mesure."

Les résultats des travaux ont été publiés dans Communication Nature 25 juillet.

En utilisant des approches de biologie synthétique, L'équipe de Zhang a d'abord biosynthétisé des blocs de construction de protéines en forme de bâtonnets, de forme similaire à un crayon mais de seulement 12 nanomètres de long.

Puis, ils ont relié ces blocs de construction entre eux par des domaines protéiques réactifs qui ont été génétiquement fusionnés aux extrémités de chacun des bâtonnets, formant des triangles à trois tiges et des carrés à quatre tiges. Ces domaines protéiques réactifs sont appelés intéines fractionnées, qui ne sont pas nouveaux pour le laboratoire de Zhang - ce sont les mêmes outils que son groupe utilise pour fabriquer de la soie d'araignée synthétique à haute résistance et des répliques synthétiques des protéines adhésives du pied de moule.

Dans les deux cas, ces groupes d'intéines divisés permettent la production de grosses protéines qui rendent la soie d'araignée synthétique plus résistante et plus résistante et les protéines de pied de moule plus collantes. Dans ce cas, ils permettent la construction de nouvelles nanostructures.

L'équipe de Zhang a travaillé avec Rohit Pappu, le professeur d'ingénierie Edwin H. Murty, professeur de génie biomédical et expert en biophysique des protéines intrinsèquement désordonnées, transitions de phase et repliement des protéines. Zhang et Pappu sont tous deux membres du Center for Science &Engineering of Living Systems (CSELS) de l'université.

"Le laboratoire du professeur Pappu, en particulier l'ancien boursier postdoctoral Jeong-Mo Choi, nous a aidé à comprendre comment la séquence protéique au niveau des connexions détermine la flexibilité de ces nanostructures et nous a aidé à prédire les séquences protéiques pour mieux contrôler la flexibilité et la géométrie des nanostructures, ", a déclaré Zhang. "La collaboration entre mon laboratoire de biologie synthétique et le laboratoire de modélisation biophysique du professeur Pappu s'est avérée très productive."

La collaboration a simplifié un processus très complexe.

« Une fois que nous avons compris la stratégie de conception, le travail est assez simple et assez amusant à faire, " a déclaré Zhang. "Nous avons juste contrôlé les différents groupes fonctionnels, puis ils contrôlaient les formes."

En raison de la fonctionnalité polyvalente des protéines, ces nanostructures pourraient potentiellement être utilisées comme échafaudages pour assembler divers nanomatériaux. Pour tester cette idée, l'équipe a assemblé des nanoparticules d'or de 1 nanomètre précisément aux sommets du triangle. À l'aide d'un microscope électronique à la pointe de la technologie à l'Institut des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'université, les triangles de protéines et les nanoparticules d'or assemblées aux sommets des triangles étaient visibles.

Pour tester la stabilité de ces nanostructures protéiques, l'équipe les a exposés à des températures élevées, jusqu'à 98 degrés Celsius, aux produits chimiques tels que le chlorhydrate de guanidium, et aux solvants organiques tels que l'acétone. Bien que ces conditions détruisent généralement les structures protéiques, les structures du laboratoire de Zhang sont restées intactes. Cette ultra-stabilité pourrait permettre davantage d'applications à l'échelle nanométrique, difficiles ou impossibles, utilisant des nanostructures constituées d'ADN ou d'autres protéines, dit Zhang.

Prochain, l'équipe travaille avec Srikanth Singamaneni, professeur de génie mécanique &science des matériaux et membre du CSELS, d'utiliser ces nanostructures de protéines pour développer des capteurs plasmoniques améliorés.

« Exploiter l'interaction entre des blocs de construction structurels hautement stables et des régions intrinsèquement désordonnées ou flexibles offre une nouvelle voie pour la conception de nanostructures avec des fonctionnalités personnalisables pour une variété d'applications en biologie synthétique et sciences biomédicales, " a déclaré Pappu. "C'est l'un des axes majeurs de notre centre, comme en témoignent les synergies entre trois laboratoires différents qui font partie du centre."