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Des protéines artificielles formées à la nano-orfèvrerie

Des protéines artificielles sélectionnées pour leur affinité chimique pour l’or et leur reconnaissance structurale spécifique des plans atomiques (111) se révèlent extrêmement efficaces pour contrôler la croissance de nanocristaux facettés uniquement de plans (111). Adhérant à la surface, elles sont modifiées pour induire de l’auto-assemblage ou catalyser une réaction enzymatique locale.

L’évolution naturelle a fait émerger d’innombrables protéines qui interagissent avec des biomolécules organiques mais aussi d’autres qui supervisent la croissance, la morphogénèse de biomatériaux inorganiques, tels que l’ émail ou la nacre.
Pourrait-on créer de nouvelles protéines capables de contrôler la forme, la cristallinité et la taille de nanostructures d’un matériau inorganique choisi ? S’il est encore impossible de concevoir ex nihilo quelle devrait être la structure d’une telle protéine, il est en revanche possible d’en faire émerger en reconstituant, en laboratoire, un processus évolutif, c’est le principe de l’évolution dirigée.
L’évolution dirigée a eu un impact considérable en biologie, en particulier dans le développement de thérapeutiques ciblées. Elle a valu le Prix Nobel de Chimie 2018 attribué à ses trois pionniers, F. Arnold, G. Smith et G. Winter. Une stratégie possible consiste à construire des bibliothèques de milliards de peptides ou d’anticorps, tous différents les uns des autres, portés, chacun, par un bactériophage (virus de bactéries). Les bactériophages sont exposés à une cible (Ex. : un antigène microbien), et les très rares individus, quelques-uns parmi plusieurs milliards, qui s’accrochent le plus fortement ("ont la plus forte affinité") à la cible sont conservés puis très abondamment clonés. Il est alors aisé d’identifier la ou les quelques séquences puis de produire le peptide ou l’anticorps responsable de cette reconnaissance chimique extrêmement spécifique.
L’évolution dirigée a été appliquée, pour la première fois, par deux équipes du CEMES (Toulouse) et de l’IB2C pour faire émerger de nouvelles protéines capable d’interagir spécifiquement avec une surface métallique : une surface d’or présentant des plans atomiques (111).

Des protéines artificielles de type 𝛂-Rep sont sélectionnées par évolution dirigée pour adhérer spécifiquement aux plans (111) de l’or. Lors de la croissance de nanocristaux, elles adhèrent à leurs faces (111) et induisent leur assemblage ou une réaction enzymatique en surface.


Ces protéines ont été sélectionnées à partir d’une bibliothèque, construite par l’équipe de Philippe Minard, contenant près de 2 milliards de protéines. Toutes les protéines partagent une même architecture générale, très stable et très efficacement produite, mais se distinguent par une de leur face, dite hypervariable, où les acides aminés sont tous différents d’une protéine à l’autre. Les deux équipes ont isolé, identifié et produit neuf protéines adhérant fortement à l’or et spécifiquement aux plans cristallins (111). Lorsqu’elles sont ajoutées à une solution de croissance de nanoparticules d’or, ces protéines contrôlent non seulement la forme (décaèdres, icosaèdres, plaquettes) et la taille (50-500 nm) mais aussi le facetage des nanocristaux produits qui, à plus de 85%, présentent exclusivement des facettes orientées suivant des plans cristallins (111). L’analyse structurale montre que les protéines couvrent les facettes et y sont fonctionnelles, de sorte qu’elles ont pu être modifiées pour induire l’auto-assemblage des nanocristaux ou déclencher une réaction enzymatique locale en surface.

Ces résultats, publiés dans la revue Nanoscale de la Royal Society of Chemistry, constituent une approche générique de la construction de nanocristaux à forme spécifique et à propriétés modulables par biochimie qui pourra être utilisée pour des applications en détection (bio)-moléculaire plasmonique.

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

Contact chercheur :
Philippe Minard (I2BC)
Erik Dujardin (CEMES)

par Communication - publié le