L'auto-assemblage est un moyen rentable, écologiquement durable et rapide de fabriquer des nanostructures avec des applications critiques dans diverses industries, allant des produits thérapeutiques aux machines auto-réplicatives.

En exploitant les capacités d'auto-assemblage des protéines des cuticules des chenilles de la pyrale du maïs asiatique (Ostrinia furnacalis), les scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapour), ont créé des capsules de taille nanométrique qui pourraient être utilisées pour administrer des médicaments et de l'ARN messager (ARNm). L'ARNm est une molécule qui demande aux cellules de produire des protéines et a été utilisée dans les vaccins contre la COVID-19.

Présente dans des régions allant de la Chine à l'Australie, la pyrale du maïs asiatique est un ravageur agricole qui détruit les cultures de maïs, les chenilles causant les dégâts. La cuticule de la tête de la chenille la protège et lui confère des propriétés mécaniques uniques.

Les chercheurs ont analysé les protéines de la cuticule des têtes des chenilles asiatiques de la pyrale du maïs pour identifier des chaînes d'acides aminés, appelées peptides, qui pourraient s'assembler indépendamment en structures ordonnées.

Ils ont criblé les protéines pour rechercher des peptides contenant la même séquence d'acides aminés en se répétant trois fois ou plus, chaque séquence étant constituée d'au moins cinq acides aminés. En raison des interactions entre les acides aminés répétitifs, les peptides possédant cette propriété subiront probablement un auto-assemblage.

Les scientifiques ont identifié trois peptides qui pourraient s'auto-assembler pour former des nanocapsules creuses à partir de leur analyse.

La recherche a été dirigée par le professeur associé Yu Jing de l'École de science et d'ingénierie des matériaux de NTU, l'ancien professeur émérite de l'Université NTU Gao Huajian (maintenant professeur à l'Université Xinghua à l'Université Tsinghua), le professeur Liu Tian de l'Université de technologie de Dalian et le professeur Yang Qing de l'Université de technologie de Dalian. Académie chinoise des sciences agricoles.

Les chercheurs déposent une demande de brevet pour leur innovation, sur la base des résultats de leur étude rapportés dans Nature Nanotechnology. en avril 2024.

Par rapport aux méthodes conventionnelles d'administration de médicaments, les nanocapsules ne sont pas toxiques et peuvent administrer efficacement divers médicaments aux propriétés différentes.

Nanocapsules auto-assemblées inspirées de la nature

Le processus d'auto-assemblage est piloté par des différences de concentrations chimiques, qui amènent les peptides à s'assembler comme des briques Lego et à former des structures stables.

Les scientifiques ont créé des versions synthétiques des peptides naturels à auto-assemblage présents dans les chenilles et ont dissous chaque peptide dans l'eau. Ils ont ensuite ajouté le solvant organique acétone aux solutions peptidiques pour lancer l'auto-assemblage.

Les chercheurs ont découvert que l’auto-assemblage des peptides se déroule en deux étapes. Premièrement, la solution peptidique a formé des gouttelettes immédiatement lorsque de l’acétone a été ajoutée. Ensuite, la diffusion de l'acétone dans les gouttelettes et de l'eau hors des gouttelettes crée un gradient de concentration à l'interface des gouttelettes qui déclenche l'assemblage des peptides en structures en forme de feuille appelées feuilles bêta, formant finalement des nanocapsules creuses sphériques. L'ensemble du processus a lieu dans les 10 minutes suivant le mélange initial.

Les scientifiques pourraient également affiner la taille des nanocapsules en ajustant le rapport peptides/diisocyanate d'isophorone. Ce composé relie les peptides entre eux pour stabiliser les nanocapsules.

"À notre connaissance, c'est la première fois que des nanocapsules peptidiques sont créées sans modèles, ouvrant la voie à un système d'administration de médicaments personnalisable", a déclaré le professeur associé Yu.

"Nos nanocapsules peptidiques ouvrent la porte à diverses applications biomédicales potentielles, telles que l'administration de médicaments et la thérapie génique."

Un système d'administration de médicaments polyvalent

Les chercheurs ont démontré que les nanocapsules pouvaient être utilisées pour piéger et livrer des « marchandises » telles que des médicaments de chimiothérapie et des anticorps. En modifiant les chaînes peptidiques, ils pourraient également utiliser les nanocapsules pour délivrer de l'ARNm.

Les nanocapsules contenant des médicaments et de l'ARNm n'étaient pas toxiques et ont été absorbées avec succès par diverses cellules.

"En comprenant le comportement des peptides auto-assemblés dans la nature, nous pouvons les concevoir pour délivrer une grande variété de médicaments et de composés thérapeutiques", explique le Dr Li Haopeng, chercheur à l'École de science et d'ingénierie des matériaux de NTU et premier auteur de l'étude.

"Nous ne nous contentons pas de découvrir les secrets de l'auto-assemblage, mais nous les traduisons également en solutions concrètes qui peuvent bénéficier à nos vies", déclare le Dr Qian Xuliang, chercheur à l'École de génie mécanique et aérospatial de NTU et co-premier auteur. de l'étude.

Dans la prochaine étape, les chercheurs exploreront l'utilisation de technologies d'intelligence artificielle telles que l'apprentissage automatique pour identifier automatiquement d'autres peptides naturels à auto-assemblage.