Faire tourner une tondeuse à gazon protéinée

TLe corps fonctionne comme une machine bien huilée, s’appuyant sur des moteurs moléculaires à base de protéines pour remplir des fonctions essentielles telles que la division cellulaire, le transport de marchandises, la locomotion cellulaire et l’entretien des tissus. Inspirés par les moteurs de la nature, les chercheurs ont recréé les artificiels en utilisant Origami ADN.¹ Cependant, Nancy Fordé, biophysicien à l’Université Simon Fraser, cherchait à recréer plus fidèlement ces machines biologiques avec des protéines, en particulier des protéines non motrices, ce qui semblait être un rêve lointain. « Dans la nature, les protéines font tout le travail, c’est pourquoi nous avons eu cette idée folle de construire des moteurs à protéines synthétiques », a déclaré Forde.

Dans un article récent publié dans Communications naturelleselle et ses collègues de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud et de l’Université de Lund ont dévoilé leur moteur artificiel à base de protéines, baptisé la tondeuse à gazonqui est capable d’un mouvement comparable à celui des moteurs biologiques.² Alors que les moteurs protéiques existants sont basés sur des moteurs naturels, cette plate-forme synthétique de démonstration de principe démontre comment les protéines non motrices peuvent construire des moteurs. Ces résultats pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre les systèmes moteurs complexes pour faire progresser les applications nanotechnologiques.

Chapin Korosec, alors étudiant diplômé en physique dans le groupe de Forde et maintenant chercheur postdoctoral en mathématiques appliquées à l’Université York, a dirigé ces travaux. Il a construit le Tondeuse à gazonoù la tondeuse était constituée d’une bille microsphérique centrale équipée de « lames » : des milliers de trypsine protéases à l’échelle nanométrique le long de la surface.³ Ensuite, les chercheurs ont créé une « pelouse » chargée de millions de courts fragments de protéines liés à une surface de silice que la tondeuse à gazon peut traverser.

Pour le mouvement, la tondeuse à gazon se propulsait selon le principe du cliquet à pont brûlé (BBR). Ce mouvement moléculaire exploite les réactions biologiques où les lames de trypsine lient et clivent l’herbe peptidique, ordonnant à la tondeuse à gazon de rechercher préférentiellement la prochaine parcelle d’herbe peptidique non coupée, riche en énergie.

Tout d’abord, le test Korosec a piloté les tondeuses à gazon en les plaçant sur une pelouse peptidique bidimensionnelle (2D) pour qu’elles se déplacent librement. Une pelouse était luxuriante de peptides, tandis que l’autre était nue. À l’aide d’un microscope, il a suivi les mouvements du moteur pendant 12 heures et les différences étaient frappantes. Dans un champ regorgeant de peptides, les tondeuses à gazon ont montré un mouvement conforme au mécanisme BBR et ont surpassé leurs homologues sur des pelouses nues et sans peptides en se déplaçant beaucoup plus loin et plus rapidement. « Nous avons constaté que la tondeuse à gazon protéique pouvait caler. Il ne bouge pas toujours continuellement. Au lieu de cela, il se déplace par rafales. Il s’assoit, tremble, puis explose à nouveau », a déclaré Korosec.

Puisque la tondeuse à gazon démontrait un mouvement directionnel, les chercheurs voulaient voir si elle présentait également motricité guidée par la pisteune caractéristique omniprésente dans les moteurs moléculaires biologiques.⁴ L’équipe a conçu des pistes étroites avec des pelouses peptidiques luxuriantes ou des pelouses nues au fond des canaux. Les tondeuses à gazon affichaient un mouvement similaire au comportement observé sur la pelouse 2D, roulant le long de la piste prédéfinie.

La tondeuse à gazon a démontré une motilité autonome et a fourni une plate-forme pour les futurs moteurs à base de protéines. « Ces (moteurs) ont le potentiel de faire du bon travail », a fait remarquer Henri Hess, un ingénieur biomédical à l’Université de Columbia qui n’a pas participé à l’étude. « Cette étude met vraiment les protéines au premier plan. J’espère que les protéines s’affirmeront… vers la compréhension des fonctions complexes à l’échelle nanométrique… en termes de chemin qu’elles empruntent et ensuite de la manière dont vous pouvez interrompre le mouvement et le reprendre.

Exploiter les protéines pour développer des moteurs protéiques artificiels constitue un défi permanent. Cependant, la tondeuse à gazon démontre la possibilité de construire des moteurs à partir de pièces protéiques non motrices. Les chercheurs espèrent ensuite explorer diverses propriétés telles que la puissance, la vitesse et la directivité. « En concevant des moteurs à base de protéines au-delà de la tondeuse à gazon, nous apprenons si et comment il est possible de traiter les protéines de manière modulaire, en tant que composants d’une boîte à outils », a fait remarquer Forde. « Dans de tels cas, il sera plus facile de construire des moteurs à partir de différentes pièces et de comparer leur fonction conçue avec nos prévisions. » Cette nanotechnologie ouvre la voie à la construction de futurs moteurs à protéines artificielles avec des applications potentielles à toute une série de problèmes.

Les références

1. Bazrafshan, A. et al. Les moteurs d’origami à ADN réglables effectuent une translocation balistique sur des distances de μm à des vitesses nm/s. Angew. Chimique. Int. Éd. 2020;59(24):9514-9521
2. Korosec CS, et coll. Motilité d’un moteur artificiel autonome à base de protéines fonctionnant selon le principe du pont brûlé. Nat Commun. 2024;15:1511.
3. Kovacic S, et al. Conception et construction de la tondeuse à gazon, un moteur à ponts brulés artificiels. IEEETrans. NanoBiosci. 2015;14(3):305-312.
4. Schliwa M, Woehlke G. Moteurs moléculaires. Nature. 2003;422(6933):759-765.