La nature utilise 20 acides aminés canoniques comme blocs de construction pour fabriquer des protéines, combinant leurs séquences pour créer des molécules complexes qui remplissent des fonctions biologiques.
Mais que se passe-t-il avec les séquences non sélectionnées par nature ? Et quelles sont les possibilités de construire des séquences entièrement nouvelles pour créer de nouvelles protéines (de novo) ayant peu de ressemblance avec quoi que ce soit dans la nature ?
C’est le terrain où Michael Hecht, professeur de chimie, travaille avec son groupe de recherche. Récemment, leur curiosité pour concevoir leurs propres séquences a porté ses fruits.
Ils ont découvert la première protéine connue de novo (nouvellement créée) qui catalyse (dirige) la synthèse des points quantiques. Les points quantiques sont des nanocristaux fluorescents utilisés dans les applications électroniques, des écrans LED aux panneaux solaires.
Leur travail ouvre la porte à la fabrication de nanomatériaux de manière plus durable en démontrant que des séquences de protéines non dérivées de la nature peuvent être utilisées pour synthétiser des matériaux fonctionnels, avec des avantages prononcés pour l’environnement.
Les points quantiques sont normalement fabriqués dans des environnements industriels avec des températures élevées et des solvants toxiques et coûteux, un processus qui n’est ni économique ni respectueux de l’environnement. Mais Hecht et son groupe de recherche ont réussi le processus en laboratoire en utilisant de l’eau comme solvant, créant un produit final stable à température ambiante.
« Nous sommes intéressés à fabriquer des molécules vivantes, des protéines, qui ne sont pas apparues dans la vie », a déclaré Hecht, qui a dirigé la recherche avec Greg Scholes, professeur de chimie William S. Tod et directeur du département. « D’une certaine manière, nous demandons s’il existe des alternatives à la vie telle que nous la connaissons ? Toute vie sur terre est issue d’une ascendance commune. Mais si nous fabriquons des molécules réalistes qui ne sont pas issues d’une ascendance commune, peuvent-elles faire des choses intéressantes ? Alors ici , nous fabriquons de nouvelles protéines qui ne sont jamais apparues dans la vie en faisant des choses qui n’existent pas dans la vie. »
Le processus de l’équipe peut également ajuster la taille des nanoparticules, qui détermine la couleur dans laquelle les points quantiques brillent ou deviennent fluorescents. Cela offre des possibilités de marquage de molécules au sein d’un système biologique, comme la coloration de cellules cancéreuses in vivo.
« Les points quantiques ont des propriétés optiques très intéressantes en raison de leur taille », a déclaré Yueyu Yao, co-auteur de l’article et étudiant diplômé de cinquième année dans le laboratoire de Hecht. « Ils sont très bons pour absorber la lumière et la convertir en énergie chimique, ce qui les rend utiles pour être transformés en panneaux solaires ou en tout type de capteur photo.
« Mais d’un autre côté, ils sont également très bons pour émettre de la lumière à une certaine longueur d’onde souhaitée, ce qui les rend adaptés à la fabrication d’écrans LED. »
Et parce qu’ils sont petits – composés d’environ 100 atomes et peut-être 2 nanomètres de diamètre – ils sont capables de pénétrer certaines barrières biologiques, ce qui rend leur utilité dans les médicaments et l’imagerie biologique particulièrement prometteuse.
Pourquoi utiliser des protéines de novo ?
« Je pense que l’utilisation de protéines de novo ouvre la voie à la conception », a déclaré Leah Spangler, auteur principal de la recherche et ancien post-doctorant au Scholes Lab. « Un mot clé pour moi est ‘ingénierie’. Je veux pouvoir concevoir des protéines pour faire quelque chose de spécifique, et c’est un type de protéine avec lequel vous pouvez le faire.
« Les points quantiques que nous fabriquons ne sont pas encore de grande qualité, mais cela peut être amélioré en ajustant la synthèse », a-t-elle ajouté. « Nous pouvons obtenir une meilleure qualité en concevant la protéine pour influencer la formation de points quantiques de différentes manières. »
Sur la base des travaux effectués par l’auteur correspondant Sarangan Chari, un chimiste senior du laboratoire de Hecht, l’équipe a utilisé une protéine de novo qu’elle a conçue, nommée ConK, pour catalyser la réaction. Les chercheurs ont isolé ConK pour la première fois en 2016 à partir d’une grande bibliothèque combinatoire de protéines. Il est toujours composé d’acides aminés naturels, mais il est qualifié de « de novo » car sa séquence n’a aucune similitude avec une protéine naturelle.
Les chercheurs ont découvert que ConK permettait la survie d’E. coli dans des concentrations autrement toxiques de cuivre, ce qui suggère qu’il pourrait être utile pour la liaison et la séquestration des métaux. Les points quantiques utilisés dans cette recherche sont fabriqués à partir de sulfure de cadmium. Le cadmium étant un métal, les chercheurs se sont demandé si ConK pouvait être utilisé pour synthétiser des points quantiques.
Leur intuition a payé. ConK décompose la cystéine, l’un des 20 acides aminés, en plusieurs produits, dont le sulfure d’hydrogène. Cela agit comme la source de soufre actif qui va ensuite réagir avec le cadmium métallique. Le résultat est des points quantiques CdS.
« Pour fabriquer un point quantique de sulfure de cadmium, vous avez besoin que la source de cadmium et la source de soufre réagissent en solution », a déclaré Spangler. « Ce que fait la protéine, c’est fabriquer la source de soufre lentement au fil du temps. Ainsi, nous ajoutons le cadmium au départ, mais la protéine génère le soufre, qui réagit ensuite pour créer des tailles distinctes de points quantiques. »
L’étude est publiée dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
Plus d’information:
Leah C. Spangler et al, Une protéine de novo catalyse la synthèse de points quantiques semi-conducteurs, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2204050119. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2204050119