La fonction et l’activité des protéines sont déterminées à la fois par leur assemblage et leur structure secondaire. Les anomalies liées à l’agrégation des protéines ou à la structure secondaire peuvent entraîner des maladies neurodégénératives. Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche internationale révèle comment les nanoparticules de fluorure, des matériaux utilisés en imagerie in vivo, affectent l’assemblage et la structure de la protéine amyloïde β. Leurs résultats présentent une étape vers un meilleur traitement et une meilleure prévention des troubles neurologiques comme la maladie d’Alzheimer.
L’auto-assemblage, ou l’association d’unités individuelles d’un matériau dans des structures ou des motifs ordonnés, est un phénomène de grande recherche pour les scientifiques des matériaux. Un exemple frappant d’auto-assemblage provient de l’auto-assemblage de protéines dans les systèmes biologiques. La fonction et l’activité des protéines sont régies par leur état d’assemblage. De plus, la « structure secondaire » de la protéine, caractérisée par son repliement dans des structures, telles qu’une feuille β, joue également un rôle. En effet, des anomalies des structures secondaires des protéines ou de leur assemblage peuvent conduire à diverses maladies neurodégénératives, dont la maladie d’Alzheimer.
Les nanoparticules (NPs) offrent une voie prometteuse pour le traitement et la prévention de telles maladies en permettant une administration contrôlée et ciblée de médicaments. De plus, les NP inorganiques, telles que les NP fluorées, sont utilisées dans les applications d’imagerie cérébrale. Par rapport aux NP organiques, les NP inorganiques sont considérées comme un meilleur candidat pour le développement de matériaux hautement fonctionnels. Mais, il y a beaucoup d’inquiétude concernant leur biotoxicité. Bien que leurs interactions avec les bioprotéines aient été étudiées, le mécanisme sous-jacent à ces interactions n’est pas bien compris.
Une équipe internationale de scientifiques de l’Université des sciences de Tokyo (TUS) au Japon et de l’Université Nazarbayev au Kazakhstan s’est maintenant penchée sur cette question. Dans leur étude, mise en ligne le 2 juin 2022 et publiée dans la revue Matériaux biologiques appliqués ACS le 20 juin 2022, l’équipe a étudié une section du peptide amyloïde β (une protéine présente dans les plaques se formant dans le cerveau des patients atteints de la maladie d’Alzheimer) dans une solution contenant des NP de céramique fluorée (CeF3). L’étude a été dirigée par le professeur agrégé junior Masakazu Umezawa et comprenait des contributions de M. Naoya Sakaguchi de TUS et des professeurs adjoints Mehdi Amouei Torkmahalleh et Dhawal Shah de l’Université Nazarbayev.
L’équipe a utilisé une technique appelée « spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier » (FTIR) pour surveiller directement l’effet de la surface NP sur les liaisons peptidiques. « Nous avons constaté que près de la surface des nanoparticules, les peptides sont plus susceptibles de former des feuillets β. Cela résulte de l’hydrophobicité. Les parties du peptide qui sont repoussées par la solution aqueuse adhèrent aux nanoparticules et forment des agrégats plus facilement », explique le Dr Umezawa.
De plus, l’équipe a étudié l’effet d’autres ions environnants dans la solution. « Ce que nous avons trouvé était très surprenant. Même sans les nanoparticules, l’environnement a affecté le taux de formation de la structure secondaire », explique le Dr Umezawa, « Cet effet, résultant d’une combinaison d’interaction électrostatique et de liaison hydrogène, a été exagéré lors de l’ajout de nanoparticules. Avec un choix judicieux d’ions et de nanoparticules, la formation de feuillets β peut être supprimée ou favorisée. Cela implique que le processus peut être contrôlé et conçu pour éradiquer les effets indésirables.
Les résultats expérimentaux ont été complétés par des simulations de dynamique moléculaire réalisées par l’équipe de l’Université Nazarbaïev. Ceci, à son tour, a aidé à concevoir et à guider les expériences ainsi qu’à fournir un aperçu des résultats.
Grâce à cette compréhension plus approfondie de l’interaction entre les protéines et les NP, l’étude ouvre la voie à des processus de repliement contrôlé des protéines. Avec un tel contrôle, toutes les déformations des protéines pourraient être éliminées et des interactions positives et des changements structurels pourraient être favorisés. Cela pourrait mener à un meilleur protocole de prévention et de traitement de la maladie d’Alzheimer et, à terme, à une meilleure qualité de vie des personnes âgées.
Naoya Sakaguchi et al, Modifications de la structure secondaire et de l’assemblage des protéines sur les surfaces de nanoparticules de céramique fluorée (CeF3), Matériaux biologiques appliqués ACS (2022). DOI : 10.1021/acsabm.2c00239