Le fabuleux monde nanométrique des assemblages de peptides

Publié par Adrien le 21/01/2022 à 09:00
Source: CNRS INSB
Les assemblages peptidiques formant des hydrogels ou des fibrilles sont utilisés pour des applications biomédicales telles que la formulation de médicaments et de vaccins, la culture cellulaire et la régénération tissulaire. Pour permettre la conception rationnelle de ces peptides auto-assemblés, il faut acquérir une compréhension approfondie des règles chimiques et physico-chimiques guidant le repliement et l'assemblage de ces molécules. Avec les récents développements de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM), la détermination de ces structures à l'échelle atomique est devenue possible. L'étude présentée permet de dévoiler par cryo-EM la structure atomique de nanotubes d'un peptide thérapeutique (La thérapeutique (du grec therapeuein, soigner) est la partie de la médecine qui...), le Lanréotide. Cette structure est d'une complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) que rien ne permettait de soupçonner jusqu'ici. Ces résultats sont publiés dans la revue PNAS.


Structure des nanotubes de Lanreotide.
A: Carte de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du nanotube (Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close,...) obtenue après traitement des images et reconstruction hélicoïdale ;
B: zoom sur une brique élémentaire de l'hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme...) constituée d'un octamère de peptide organisé en 2 tétramères. Les 8 molécules ont toutes des conformations différentes. Elles sont cependant regroupées en deux familles en fonction de la position du résidu naphtylalanine amino-terminal: la famille "rose" (molécules a, b, g & h) et la famille "verte" (molécules c, d e & f). Les cercles jaunes et oranges soulignent les coeurs hydrophobes des 2 tétramères de la brique élémentaire constitués par 4 valines en forte interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...).
C: Mise en évidence des différents types d'interaction maintenant la structure: interaction entre tétramères, interaction entre résidus aromatiques, feuillet β entre les molécules a, d, g & f et feuillet β entre les molécules c, b, h & e.

Des nano- et micro-assemblages fonctionnels et polyvalents formés par des molécules biologiques se retrouvent à tous les niveaux de la vie (La vie est le nom donné :), depuis les organites cellulaires jusqu'aux organismes complets. Comprendre les déterminants chimiques et physico-chimiques guidant la formation de ces assemblages est crucial non seulement pour comprendre les processus biologiques qu'ils mettent en oeuvre mais aussi pour mimer la nature au travers de la conception rationnelle d'objets auto-assemblés exploitables notamment au niveau biomédical. Ces assemblages résultent d'interactions chimiques déterministes et sont donc tous potentiellement prédictibles. Mais actuellement nous manquons simplement d'outils pour prédire le mode d'assemblage des peptides et les architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans,...) potentiellement polymorphes qu'ils peuvent former. Pour acquérir des outils prédictifs basés sur l'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus...), nous avons ainsi besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) d'identifier et comprendre un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de structures d'assemblages peptidiques.

Parmi les peptides synthétiques formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) des nanostructures bien définies, l'octapeptide Lanréotide a été considéré comme l'un des mieux caractérisés, tant en termes de structure que de processus d'auto-assemblage. Le Lanréotide est un peptide thérapeutique utilisé contre l'acromégalie (L'acromégalie (du grec ἄκρος (akros) "haut" ou "extrême"...) et certains cancers neuro-endocriniens. Ce peptide s'auto-assemble spontanément dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) sous forme de nanotubes de 24 nm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) et extrêmement longs (de l'ordre du mm) expliquant la formation d'un hydrogel. Cet hydrogel permet au Lanréotide non seulement d'être protégé contre les dégradations chimiques mais également d'être libéré de façon contrôlée dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (plus d'un mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) après l'injection) assurant sa circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) continue dans le sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le...). La compréhension fine des règles chimiques et physicochimiques guidant les assemblages de peptides permettrait de concevoir de nouvelles formulations à libération contrôlée dans lesquelles, comme dans le cas du Lanréotide, le médicament (Un médicament est une substance ou une composition présentée comme possédant...) serait sa propre formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...). Les scientifiques ont élucidé la structure atomique des nanotubes de Lanréotide obtenue à une résolution de 2,5 Å par cryo-EM. Cette structure révèle une complexité que rien ne laissait soupçonner dans les nombreux travaux antérieurs et qu'il aurait été impossible de prédire par les méthodes dont nous disposons aujourd'hui.

Le récent et phénoménal succès du logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements...) d'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens...) AlphaFold pour la prédiction de la structure tertiaire des protéines n'a été possible que grâce à la base de données (En informatique, une base de données (Abr. : « BD » ou...) de structures atomiques de protéines déterminées expérimentalement. Cependant, AlphaFold n'est pas à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) capable de prédire les repliements et les assemblages de peptides. La vérification expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) de modèles à un niveau de résolution proche de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) doit donc devenir la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) dans ce domaine. Ce sera une étape essentielle vers le développement de méthodes prédictives fiables qui ouvrira la voie à la conception de novo de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) peptidiques dont les propriétés contrôlées trouveront ainsi des applications dans de nombreux domaines de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....), de la pharmacie (La pharmacie (du grec φάρμακον/pharmakôn...) et de la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...) et pourront inspirer des développements dans le domaine des nanotechnologies.

Publication:
Atomic structure of Lanreotide nanotubes revealed by cryo-EM
Laura Pieri, Fengbin Wang, Ana-Andreea Arteni, Matthijn Vos, Jean-Marie Winter, Marie-Hélène Le Du, Franck Artzner, Frédéric Gobeaux, Pierre Legrand, Yves Boulard, Stéphane Bressanelli, Edward H. Egelman, Maité Paternostre.
PNAS 25 janvier2022. https://doi.org/10.1073/pnas.2120346119

Laboratoire:
Institut de biologie intégrative de la cellule-I2BC (CNRS/Université Paris-Saclay/CEA)
1 avenue (Une avenue est une grande voie urbaine. Elle est en principe plantée d'arbres, et conduit à un...) de la Terrasse,
91191 Gif-sur-Yvette.
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