Les protéines sont parmi les biomolécules les plus polyvalentes et les plus omniprésentes sur terre. La nature les utilise pour tout, de la construction des tissus à la régulation du métabolisme en passant par la défense du corps contre les maladies.

Maintenant, une nouvelle étude montre que les protéines ont d'autres capacités largement inexplorées. Dans les bonnes conditions, ils peuvent agir comme de minuscules fils conducteurs de courant, utiles pour une gamme de nanoélectroniques conçues par l'homme.

Dans une nouvelle recherche publiée dans la revue ACS Nano, Stuart Lindsay et ses collègues montrent que certaines protéines peuvent agir comme des conducteurs électriques efficaces. En fait, ces minuscules fils de protéines peuvent avoir de meilleures propriétés de conductance que des nanofils similaires composés d'ADN, qui ont déjà rencontré un succès considérable pour une foule d'applications humaines.

Le professeur Lindsay dirige le Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics. Il est également professeur au Département de physique de l'ASU et à l'École des sciences moléculaires.

Tout comme dans le cas de l'ADN, les protéines offrent de nombreuses propriétés intéressantes pour l'électronique à l'échelle nanométrique, notamment la stabilité, la conductance réglable et une vaste capacité de stockage d'informations. Bien que les protéines aient été traditionnellement considérées comme de mauvais conducteurs d'électricité, tout cela a récemment changé lorsque Lindsay et ses collègues ont démontré qu'une protéine placée entre une paire d'électrodes pouvait agir comme un conducteur efficace d'électrons.

La nouvelle recherche examine plus en détail le phénomène de transport d'électrons à travers les protéines. Les résultats de l'étude établissent que sur de longues distances, les nanofils de protéines présentent de meilleures propriétés de conductance que les nanofils synthétisés chimiquement spécifiquement conçus pour être des conducteurs. De plus, les protéines s'auto-organisent et permettent un contrôle à l'échelle atomique de leurs composants.

Les nanofils protéiques de conception synthétique pourraient donner naissance à une nouvelle électronique ultra-mince, avec des applications potentielles pour la détection et le diagnostic médicaux, des nanorobots pour effectuer des missions de recherche et de destruction contre les maladies ou dans une nouvelle race de transistors informatiques ultra-minuscules. Lindsay s'intéresse particulièrement au potentiel des nanofils protéiques à utiliser dans de nouveaux dispositifs pour effectuer un séquençage ultra-rapide de l'ADN et des protéines, un domaine dans lequel il a déjà fait des progrès significatifs.

En plus de leur rôle dans les dispositifs nanoélectroniques, les réactions de transport de charge sont cruciales dans les systèmes vivants pour des processus tels que la respiration, le métabolisme et la photosynthèse. Par conséquent, la recherche sur les propriétés de transport par le biais de protéines conçues peut apporter un nouvel éclairage sur la manière dont ces processus fonctionnent au sein des organismes vivants.

Alors que les protéines présentent de nombreux avantages de l'ADN pour la nanoélectronique en termes de conductance électrique et d'auto-assemblage, l'alphabet étendu de 20 acides aminés utilisé pour les construire offre une boîte à outils améliorée pour les nanoarchitectes comme Lindsay, par rapport à seulement quatre nucléotides constituant l'ADN .

Autorité de transport

Bien que le transport d'électrons ait fait l'objet de recherches considérables, la nature du flux d'électrons à travers les protéines est restée un mystère. D'une manière générale, le processus peut se produire par effet tunnel d'électrons, un effet quantique se produisant sur de très courtes distances ou par le saut d'électrons le long d'une chaîne peptidique - dans le cas des protéines, une chaîne d'acides aminés.

L'un des objectifs de l'étude était de déterminer lequel de ces régimes semblait fonctionner en effectuant des mesures quantitatives de la conductance électrique sur différentes longueurs de nanofils protéiques. L'étude décrit également un modèle mathématique qui peut être utilisé pour calculer les propriétés moléculaires-électroniques des protéines.

Pour les expériences, les chercheurs ont utilisé des segments de protéines par incréments de quatre nanomètres, allant de 4 à 20 nanomètres de longueur. Un gène a été conçu pour produire ces séquences d'acides aminés à partir d'une matrice d'ADN, les longueurs de protéines étant ensuite liées ensemble en molécules plus longues. Un instrument très sensible connu sous le nom de microscope à effet tunnel a été utilisé pour effectuer des mesures précises de la conductance au fur et à mesure que le transport d'électrons progressait à travers le nanofil de protéine.

Les données montrent que la conductance diminue sur la longueur du nanofil d'une manière cohérente avec le comportement de saut plutôt que d'effet tunnel des électrons. Des résidus d'acides aminés aromatiques spécifiques (six tyrosines et un tryptophane dans chaque torsion en tire-bouchon de la protéine) aident à guider les électrons le long de leur chemin d'un point à l'autre, comme des stations successives le long d'un trajet en train. "Le transport d'électrons, c'est un peu comme faire sauter une pierre sur l'eau :la pierre n'a pas le temps de couler à chaque saut", explique Lindsay.

Merveilles du fil

Alors que les valeurs de conductance des nanofils protéiques diminuaient avec la distance, elles le faisaient plus progressivement qu'avec les fils moléculaires conventionnels spécialement conçus pour être des conducteurs efficaces.

Lorsque les nanofils protéiques ont dépassé six nanomètres de longueur, leur conductance a surpassé les nanofils moléculaires, ouvrant la porte à leur utilisation dans de nombreuses nouvelles applications. Le fait qu'ils puissent être subtilement conçus et modifiés avec un contrôle à l'échelle atomique et auto-assemblés à partir d'un modèle de gène permet des manipulations fines qui dépassent de loin ce qui peut actuellement être réalisé avec la conception de transistors conventionnels.

Une possibilité intéressante consiste à utiliser ces nanofils protéiques pour connecter d'autres composants dans une nouvelle suite de nanomachines. Par exemple, des nanofils pourraient être utilisés pour connecter une enzyme connue sous le nom d'ADN polymérase à des électrodes, résultant en un dispositif qui pourrait potentiellement séquencer un génome humain entier à faible coût en moins d'une heure. Une approche similaire pourrait permettre l'intégration de protéosomes dans des dispositifs nanoélectroniques capables de lire les acides aminés pour le séquençage des protéines.

"Nous commençons maintenant à comprendre le transport des électrons dans ces protéines. Une fois que vous avez des calculs quantitatifs, non seulement vous avez d'excellents composants électroniques moléculaires, mais vous avez une recette pour les concevoir", explique Lindsay. "Si vous pensez au programme SPICE que les ingénieurs électriciens utilisent pour concevoir des circuits, il y a une lueur maintenant que vous pourriez l'obtenir pour l'électronique des protéines." + Explorer plus loin

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