Des protéines formées à la nano-orfèvrerie
Publié par Isabelle le 26/11/2019 à 14:00
Source et illustrations: CNRS INP

Des physico-chimistes et des biochimistes ont créé et optimisé, par évolution dirigée, des protéines artificielles reconnaissant spécifiquement une orientation cristalline de l'or. Lors de la croissance de nanoparticules, ces protéines en contrôlent la forme, la cristallinité et les propriétés de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...).

Dans la nature, il existe beaucoup d'exemples de protéines, sélectionnées par l'évolution, qui contrôlent la croissance de biomatériaux inorganiques, tels que l'émail ou la nacre (La nacre est le revêtement intérieur de certaines coquilles de mollusque, composé de cristaux d'aragonite et de conchyoline, aux reflets irisés. C'est un produit...). Pourrait-on créer des protéines capables de contrôler la forme, la cristallinité et la taille de nanostructures d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée...) inorganique choisi ? S'il est encore impossible de concevoir ex nihilo quelle devrait être la structure de telles protéines, il est en revanche imaginable d'en faire émerger en suivant le principe de l'évolution dirigée, c'est-à-dire en reconstituant un processus évolutif en laboratoire. L'évolution dirigée est utilisée en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des...) où elle a un impact considérable (1), en particulier dans le développement de thérapeutiques ciblées. Une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) consiste à construire des bibliothèques de milliards de peptides ou d'anticorps, tous différents les uns des autres, et portés, chacun, par un virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une forme extracellulaire ou intracellulaire. Sous la...) (non pathogène). Les virus sont exposés à une cible et les très rares individus qui s'accrochent le plus fortement à la cible sont conservés puis très abondamment clonés. Il est alors aisé d'identifier puis de produire le peptide ou l'anticorps responsable de cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) extrêmement spécifique.

Dans ce travail, des physico-chimistes du Centre d'élaboration de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et d'études structurales (CEMES, CNRS) à Toulouse et des biochimistes de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de biologie intégrative de la cellule (I2BC, CNRS/Univ. Paris-Sud/CEA) à Gif-sur-Yvette ont joint leurs recherches et ont, pour la première fois, appliqué l'évolution dirigée pour identifier des protéines capables d'interagir spécifiquement avec une cible métallique: une surface d'or dont l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) des plans atomiques est bien définie, l'orientation 111. Ils ont réussi à isoler, identifier et produire neuf protéines présentant une forte affinité avec ces plans atomiques à partir d'une bibliothèque de deux milliards de protéines artificielles. Introduites ensuite lors de la synthèse de nanoparticules d'or, ces protéines se sont révélées efficaces pour forcer la croissance de formes présentant des facettes de même orientation 111. Par rapport à des peptides issus de l'évolution dirigée, les protéines, plus grandes et plus rigides, se révèlent ici capables de contrôler la croissance de particules monocristallines de grande taille, 50 à 500 nanomètres, au lieu de quelques nanomètres seulement.

Il existe dans le monde (Le mot monde peut désigner :) encore très peu de bibliothèques de protéines artificielles et celle de l'I2BC est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le...) d'une construction qui a duré une dizaine d'années afin de disposer d'une famille la plus large et la plus diverse possible de protéines qui soient très stables, partageant une même architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) générale, mais se distinguant par une de leurs faces, dite hypervariable. Selon les protéines, cette face contient entre 12 et 60 acides aminés (soit 20 % du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une...) d'acides aminés), dont la nature est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...) d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des...) à l'autre. L'interaction avec la surface d'or via cette face est ainsi spécifique à chaque protéine. Le protocole de sélection des protéines ayant une forte affinité avec la surface d'or est semblable au protocole d'évolution dirigée utilisé pour des cibles biologiques. Les deux milliards protéines portées par des virus sont mises en interaction avec une surface d'or d'une dizaine de cm2 au sein d'une solution saline neutre. Un rinçage élimine celles qui interagissent le plus faiblement, un décrochage acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) permet de récupérer les virus portant les protéines les plus adhérentes puis de les cloner avant de les remettre en interaction avec la surface d'or. Au bout de trois opérations, neuf protéines ayant une interaction particulièrement forte sont sélectionnées. Celles-ci sont ensuite introduites dans le protocole de synthèse de nanocristaux d'or. Les chercheurs montrent que les protéines contrôlent la forme des nanocristaux obtenus, pouvant ainsi privilégier des décaèdres, des icosaèdres et des plaquettes, dont les facettes sont très majoritairement orientées suivant des plans cristallins 111. En effet, en adhérant sur les faces 111 qui se forment lors de la croissance, les protéines les "protègent" et la croissance se poursuit par l'intermédiaire des autres orientations cristallines. Au-delà de la synthèse, accrochées sur les facettes des nanocristaux, les protéines deviennent les outils de leur fonctionnalisation. Dans ce travail, elles ont pu être modifiées chimiquement pour induire l'auto-assemblage des nanocristaux obtenus ou pour déclencher une réaction enzymatique locale en surface (figure).

Les propriétés optiques, de fonctionnalisation et de biocompatibilité des nanoparticules d'or leur confèrent un vaste potentiel d'applications, notamment dans le domaine biomédical. Ces résultats constituent une approche générique de la construction de nanocristaux à forme spécifique et à propriétés modulables biochimiquement qui pourra être mis à profit pour ces applications.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) représentant une surface d'or 111 en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :), 4 protéines (αRep, de dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa...) environ 5 nm) adhérant sur la surface avec en rose la face hypervariable, et en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520...), à une autre échelle, des images de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La...) électronique des formes cristallines obtenues lors de la croissance de nanoparticules et les fonctionnalisations obtenues en activant les propriétés des protéines en surface. À gauche: auto-assemblage de décaèdres de 100 nm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est...), au milieu: décoration d'une plaquette de 300 nm par des nanosphères d'or, et à droite: formation par catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur,...) avec l'enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer jusqu'à des millions de fois les réactions...) HRP d'une couronne de polymères autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) d'une plaquette de 150 nm.

Références:
Directed evolution of artificial repeat proteins as habit modifiers for the morphosynthesis of (111) terminated gold nanocrystals. J. Prasad, S. Viollet, G. K. L, A. Urvoas, A. Fournier, M. Valerio-Lepiniec, C. Garcia-Marcelot, B. Baris, P. Minard et E. Dujardin. Nanoscale, le 26 août 2019.
DOI: 10.1039/C9NR04497C.

Notes:
(1) Elle a valu le Prix Nobel de Chimie (Le prix Nobel de chimie est décerné une fois l'an, depuis 1901, par l'Académie royale des sciences de Suède à un scientifique dont l'œuvre et les travaux ont rendu de grands services à l'humanité par...) à F. Arnold, G. Smith et G. Winter en 2018.



Contacts:
Erik Dujardin - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales
erik.dujardin at cemes.fr

Philippe Minard - Professeur à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) Paris-Saclay, Institut de Biologie Intégrative de la Cellule
philippe.minard at i2bc.paris-saclay.fr

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