Un biocapteur synthétique qui imite les propriétés trouvées dans les membranes cellulaires et fournit une lecture électronique de l’activité pourrait conduire à une meilleure compréhension de la biologie cellulaire, au développement de nouveaux médicaments et à la création d’organes sensoriels sur une puce capable de détecter des produits chimiques, similaires à la façon dont les nez et les langues fonctionnent.
Une étude, « Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor vie Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode », a été publiée le 18 janvier dans la revue ACS Biologie synthétique.
L’exploit de bio-ingénierie décrit dans l’article utilise la biologie synthétique pour recréer une membrane cellulaire et ses protéines intégrées, qui sont les gardiens des fonctions cellulaires. Une plate-forme de détection conductrice permet une lecture électronique lorsqu’une protéine est activée. Pouvoir tester si et comment une molécule réagit avec des protéines dans une membrane cellulaire pourrait générer de nombreuses applications.
Mais l’intégration de protéines membranaires dans des capteurs était notoirement difficile jusqu’à ce que les auteurs de l’étude combinent des capteurs bioélectroniques avec une nouvelle approche pour synthétiser des protéines.
« Cette technologie nous permet vraiment d’étudier ces protéines d’une manière qui serait incroyablement difficile, voire impossible, avec la technologie actuelle », a déclaré le premier auteur Zachary Manzer, étudiant au doctorat dans le laboratoire de l’auteur principal Susan Daniel, le Fred H. Rhodes. Professeur et directeur de la Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering à Cornell Engineering.
Les protéines présentes dans les membranes cellulaires remplissent de nombreuses fonctions importantes, notamment la communication avec l’environnement, la catalyse de réactions chimiques et le déplacement de composés et d’ions à travers les membranes. Lorsqu’un récepteur de protéine membranaire est activé, des ions chargés se déplacent à travers un canal membranaire, déclenchant une fonction dans la cellule. Par exemple, les neurones du cerveau ou les cellules musculaires s’activent lorsque les signaux des nerfs signalent l’ouverture de canaux ioniques calcium chargés.
Les chercheurs ont créé un biocapteur qui commence par un polymère conducteur, doux et facile à travailler, au-dessus d’un support qui, ensemble, agit comme un circuit électrique surveillé par un ordinateur. Une couche de molécules lipidiques (graisses), qui forme la membrane, se trouve au-dessus du polymère, et les protéines d’intérêt sont placées dans les lipides.
Dans cette preuve de concept, les chercheurs ont créé une plateforme acellulaire qui leur a permis de synthétiser une protéine modèle directement dans cette membrane artificielle. Le système est doté d’une technologie de lecture double intégrée. Étant donné que les composants du capteur sont transparents, les chercheurs peuvent utiliser des techniques optiques, telles que des protéines d’ingénierie qui deviennent fluorescentes lorsqu’elles sont activées, ce qui permet aux scientifiques d’étudier les principes fondamentaux au microscope et d’observer ce qui arrive au protéine elle-même au cours d’un processus cellulaire. Ils peuvent également enregistrer l’activité électronique pour voir comment la protéine fonctionne grâce à une conception de circuit intelligente.
« Il s’agit vraiment de la première démonstration de l’utilisation de la synthèse acellulaire de protéines transmembranaires dans des biocapteurs », a déclaré Daniel. « Il n’y a aucune raison pour laquelle nous ne serions pas en mesure d’exprimer de nombreux types de protéines différents dans cette plate-forme générale. »
Actuellement, les chercheurs ont utilisé des protéines cultivées et extraites de cellules vivantes pour des applications similaires, mais compte tenu de cette avancée, les utilisateurs n’auront pas à cultiver des protéines dans des cellules, puis à les récolter et à les intégrer dans la plate-forme membranaire. Au lieu de cela, ils peuvent les synthétiser directement à partir de l’ADN, le modèle de base des protéines.
« Nous pouvons contourner l’ensemble du processus de la cellule en tant qu’usine qui produit la protéine », a déclaré Daniel, « et bioproduire les protéines nous-mêmes. »
Avec un tel système, un chimiste pharmaceutique intéressé par une protéine particulière impliquée dans une maladie pourrait faire circuler des molécules potentiellement thérapeutiques à travers cette protéine pour voir comment elle réagit. Ou un scientifique cherchant à créer un capteur environnemental pourrait placer sur la plate-forme une protéine particulière sensible à un produit chimique ou à un polluant, comme ceux que l’on trouve dans l’eau des lacs.
« Si vous pensez à votre nez ou à votre langue, chaque fois que vous sentez ou goûtez quelque chose, des canaux ioniques se déclenchent », a déclaré Manzer. Les scientifiques peuvent maintenant prendre les protéines activées lorsque nous sentons quelque chose et traduire les résultats dans ce système électronique pour détecter des choses qui pourraient être indétectables avec un capteur chimique. »
Le nouveau capteur ouvre la porte aux pharmacologues pour rechercher comment créer des analgésiques non opioïdes, ou des médicaments pour traiter la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson, qui interagissent avec les protéines de la membrane cellulaire.
Plus d’information:
Zachary A. Manzer et al, Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode, ACS Biologie synthétique (2023). DOI : 10.1021/acssynbio.2c00531