Des molécules ressemblant à des protéines appelées « polypeptoïdes » (ou « peptoïdes, " pour faire court) sont très prometteurs en tant que blocs de construction de précision pour créer une variété de nanomatériaux de conception, comme des nanofeuilles flexibles - ultrafines, matériaux 2D à l'échelle atomique. Ils pourraient faire progresser un certain nombre d'applications, telles que synthétiques, des anticorps spécifiques à la maladie et des membranes ou tissus auto-réparants, à faible coût.

Pour comprendre comment faire de ces applications une réalité, cependant, les scientifiques ont besoin d'un moyen de zoomer sur la structure atomique d'un peptoïde. Dans le domaine de la science des matériaux, les chercheurs utilisent généralement des microscopes électroniques pour atteindre une résolution atomique, mais les matériaux mous comme les peptoïdes se désintégreraient sous l'éclat dur d'un faisceau d'électrons.

Maintenant, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont adapté une technique qui utilise la puissance des électrons pour visualiser la structure atomique d'un matériau mou tout en la gardant intacte.

Leur étude, publié dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences , démontre pour la première fois comment cryo-EM (microscopie électronique cryogénique), une technique lauréate du prix Nobel conçue à l'origine pour imager des protéines en solution, peut être utilisé pour imager les changements atomiques dans un matériau synthétique souple. Leurs découvertes ont des implications pour la synthèse de matériaux 2-D pour une grande variété d'applications.

"Tous les matériaux que nous touchons fonctionnent en raison de la façon dont les atomes sont disposés dans le matériau. Mais nous n'avons pas cette connaissance pour les peptoïdes car contrairement aux protéines, la structure atomique de nombreux matériaux synthétiques souples est désordonnée et difficile à prévoir, " dit Nitash Balsara, chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, et professeur de génie chimique à l'UC Berkeley, qui a co-dirigé l'étude. "Et si vous ne savez pas où sont les atomes, vous volez à l'aveugle. Notre utilisation de la cryo-EM pour l'imagerie des peptoïdes ouvrira une voie claire pour la conception et la synthèse de matériaux mous à l'échelle atomique. »

Un regard critique sur les matériaux souples

Depuis 13 ans, Balsara a mené un effort pour imager des matériaux mous à l'échelle atomique par le biais du programme de microscopie électronique de la matière molle de Berkeley Lab. Pour l'étude en cours, il s'est associé à Ronald Zuckermann, un scientifique principal de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a découvert pour la première fois les peptoïdes il y a près de 30 ans dans sa recherche de nouveaux polymères - des matériaux constitués de longs, des chaînes répétitives de petites unités moléculaires appelées « monomères »—pour des thérapies médicamenteuses ciblées.

"Cette étude est le fruit de nombreuses années de recherche ici au Berkeley Lab. Fabriquer un matériau et voir les atomes, c'est le rêve de ma carrière, " dit Zuckermann, qui a codirigé l'étude avec Balsara.

Contrairement à la plupart des polymères synthétiques, les peptoïdes peuvent être faits pour avoir une séquence précise d'unités monomères, un trait commun aux polymères biologiques, comme les protéines et l'ADN.

Et comme les protéines naturelles, les peptoïdes peuvent croître ou s'auto-assembler en des formes distinctes pour des fonctions spécifiques, telles que des hélices, fibres, nanotubes, ou des nanofeuillets minces et plats.

Mais contrairement aux protéines, la structure moléculaire des peptoïdes est généralement amorphe et imprévisible, comme un tas de nouilles humides. Et démêler une structure aussi imprévisible a longtemps été un obstacle pour les scientifiques des matériaux.

Épingler les peptoïdes avec cryo-EM

Les chercheurs se sont donc tournés vers la cryo-EM, qui gèle les peptoïdes à une température d'environ 80 kelvins (ou moins 316 degrés Fahrenheit) en quelques microsecondes. La température ultrafroide du cryo-EM verrouille la structure de la feuille et empêche également les électrons de détruire l'échantillon.

Pour protéger les matériaux souples, la cryo-EM utilise moins d'électrons que la microscopie électronique conventionnelle, résultant en des images fantomatiques en noir et blanc. Pour mieux documenter ce qui se passe au niveau atomique, des centaines de ces images sont prises. Des outils mathématiques sophistiqués combinent ces images pour créer des images à l'échelle atomique plus détaillées.

Pour l'étude, les chercheurs ont fabriqué des nanofeuillets en solution à partir de polymères peptoïdes courts constitués d'une chaîne de six monomères hydrophobes appelés « aromatiques, " connecté à quatre monomères polyéthers hydrophiles. Les monomères hydrophiles ou "aimants de l'eau" sont attirés par l'eau dans la solution, tandis que les monomères hydrophobes ou « haïssant l'eau » évitent l'eau, orienter les molécules pour former des nanofeuillets cristallins d'une seule molécule d'épaisseur (environ 3 nanomètres, ou 3 milliardièmes de mètre).

Auteur principal Sunting Xuan, chercheur postdoctoral au sein de la Division Sciences des Matériaux, synthétisé les nanofeuillets peptoïdes et utilisé des techniques de diffusion des rayons X à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab pour caractériser leur structure moléculaire. L'ALS produit de la lumière dans une variété de longueurs d'onde pour permettre des études de la structure et de la chimie des échantillons à l'échelle nanométrique, entre autres propriétés.

Xi Jiang, un scientifique de projet à la Division des sciences des matériaux, capturé les images de haute qualité et développé les algorithmes nécessaires pour atteindre la résolution atomique dans l'imagerie peptoïde.

David Prendergast, scientifique senior et directeur par intérim de la Fonderie Moléculaire, substitutions atomiques modélisées dans les peptoïdes, et Nan Li, chercheur postdoctoral à la Fonderie Moléculaire, effectué des simulations de dynamique moléculaire pour établir un modèle à l'échelle atomique de la nanofeuille.

Au cœur de la découverte de l'équipe se trouvait leur capacité à parcourir rapidement entre la synthèse de matériaux et l'imagerie atomique. La précision de la synthèse peptoïde, couplé à la capacité des chercheurs à imager directement le placement des atomes à l'aide de cryo-EM, leur a permis de concevoir le peptoïde au niveau atomique. A leur grande surprise, lorsqu'ils ont créé plusieurs nouvelles variantes de la séquence de monomères peptoïdes, la structure atomique de la nanofeuillet a changé de manière très ordonnée.

Par exemple, lorsqu'un atome de brome supplémentaire a été ajouté à chaque cycle aromatique, la forme de chaque molécule peptoïde est restée inchangée mais l'espace entre les rangées a augmenté juste assez pour accueillir les atomes de brome supplémentaires.

Par ailleurs, lorsque quatre variantes supplémentaires de la structure des nanofeuillets peptoïdes ont été imagées, les chercheurs ont remarqué une uniformité remarquable à travers leur structure atomique, et que les nanofeuillets partageaient la même forme de molécules peptoïdes. Cela leur a permis de concevoir de manière prévisible la structure de la nanofeuille, dit Zuckermann.

"Avoir autant de contrôle à l'échelle atomique dans les matériaux mous était complètement inattendu, " dit Balsara, car il était supposé que seules les protéines pouvaient former des formes définies lorsque vous avez une séquence spécifique de monomères - dans leur cas, acides aminés.

Une approche d'équipe aux nouveaux matériaux

Depuis près de quatre décennies, Berkeley Lab a repoussé les limites de la microscopie électronique dans des domaines scientifiques autrefois considérés comme impossibles à explorer avec un faisceau d'électrons. Les travaux pionniers des scientifiques du Berkeley Lab ont également joué un rôle clé dans le prix Nobel de chimie 2017, qui a honoré le développement de cryo-EM.

"La plupart des gens diraient qu'il n'est pas possible de développer une technique capable de positionner et de voir des atomes individuels dans un matériau mou, " a déclaré Balsara. " La seule façon de résoudre des problèmes difficiles comme celui-ci est de faire équipe avec des experts de toutes les disciplines scientifiques. Au laboratoire de Berkeley, Nous travaillons en équipe."

Zuckermann a ajouté que l'étude actuelle prouve que la technique cryo-EM pourrait être appliquée à une large gamme de polymères courants et d'autres matériaux souples industriels, et pourrait conduire à une nouvelle classe de nanomatériaux mous qui se replient en structures de type protéine avec des fonctions de type protéine.

"Ce travail ouvre la voie aux scientifiques des matériaux pour relever le défi de faire des protéines artificielles une réalité, " il a dit, ajoutant que leur étude positionne également l'équipe pour travailler sur la résolution d'une diversité de problèmes passionnants, et de "faire prendre conscience aux gens qu'ils, trop, peuvent commencer à regarder la structure atomique de leurs matériaux mous en utilisant ces techniques cryo-EM."