La plupart de la vie sur Terre est basée sur des polymères de 20 acides aminés qui ont évolué en centaines de milliers de protéines différentes et hautement spécialisées. Ils catalysent les réactions, forment la colonne vertébrale et les muscle tissue et génèrent même du mouvement.
Mais toute cette variété est-elle nécessaire ? La biologie pourrait-elle fonctionner aussi bien avec moins de blocs de construction et des polymères plus simples ?
Ting Xu, de l’Université de Californie à Berkeley, spécialiste des polymères, le pense. Elle a développé un moyen d’imiter les fonctions spécifiques des protéines naturelles en utilisant seulement deux, quatre ou six blocs de construction différents – ceux actuellement utilisés dans les plastiques – et a découvert que ces polymères alternatifs fonctionnent aussi bien que la vraie protéine et sont beaucoup additionally faciles à synthétiser que d’essayer de reproduire la conception de la nature.
Comme preuve de strategy, elle a utilisé sa méthode de conception, basée sur l’apprentissage automatique ou l’intelligence artificielle, pour synthétiser des polymères qui imitent le plasma sanguin. Le liquide biologique artificiel a conservé les biomarqueurs de protéines naturelles intacts sans réfrigération et a même rendu les protéines naturelles moreover résistantes aux températures élevées, une amélioration par rapport au vrai plasma sanguin.
Les substituts de protéines, ou hétéropolymères aléatoires (RHP), pourraient changer la donne pour les applications biomédicales, vehicle beaucoup d’efforts sont aujourd’hui consacrés à la modification des protéines naturelles pour faire des choses pour lesquelles elles n’étaient pas conçues à l’origine, ou à essayer de recréer le 3D construction des protéines naturelles. L’administration de médicaments de petites molécules qui imitent les protéines humaines naturelles est un domaine de recherche en vogue.
Au lieu de cela, l’IA pourrait choisir le bon nombre, le style et la disposition des blocs de building en plastique – similaires à ceux utilisés dans les obturations dentaires, par exemple – pour imiter la fonction souhaitée d’une protéine, et une basic chimie des polymères pourrait être utilisée pour la fabriquer.
Dans le cas du plasma sanguin, par exemple, les polymères artificiels ont été conçus pour dissoudre et stabiliser les biomarqueurs protéiques naturels dans le sang. Xu et son équipe ont également créé un mélange de polymères synthétiques pour remplacer les entrailles d’une cellule, le soi-disant cytosol. Dans un tube à essai rempli de fluide biologique artificiel, les nanomachines de la cellule, les ribosomes, ont continué à pomper des protéines naturelles comme s’ils ne se souciaient pas de savoir si le fluide était naturel ou artificiel.
« Fondamentalement, toutes les données montrent que nous pouvons utiliser ce cadre de conception, cette philosophie, pour générer des polymères à un stage tel que le système biologique ne serait pas en mesure de reconnaître s’il s’agit d’un polymère ou d’une protéine », a déclaré Xu, Professeur de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley. “Nous trompons fondamentalement la biologie. L’idée est que si vous le concevez vraiment et que vous injectez vos plastiques dans le cadre d’un écosystème, ils devraient se comporter comme une protéine. Si les autres protéines sont comme, ‘D’accord, vous faites partie de nous ‘, alors c’est Ok.”
Le cadre de conception ouvre également la porte à la conception de systèmes biologiques hybrides, où les polymères plastiques interagissent en douceur avec les protéines naturelles pour améliorer un système, tel que la photosynthèse. Et les polymères pourraient être amenés à se dégrader naturellement, rendant le système recyclable et tough.
“Vous commencez à penser à un avenir complètement nouveau pour le plastique, au lieu de tous ces produits de base”, a déclaré Xu, qui est également chercheur au Lawrence Berkeley Countrywide Laboratory.
Elle et ses collègues ont publié leurs résultats dans le numéro du 8 mars de la revue Nature.
Un heureux mélange de polymères biologiques et abiologiques
Xu considère les tissus vivants comme un mélange complexe de protéines qui ont évolué pour fonctionner ensemble de manière versatile, avec moins d’attention portée à la séquence réelle d’acides aminés de chaque protéine qu’aux sous-unités fonctionnelles de la protéine, les endroits où ces protéines interagissent. Tout comme dans un mécanisme à clé, où peu importe que la clé soit en aluminium ou en acier, la composition réelle des sous-unités fonctionnelles est moins importante que ce qu’elles font.
soulageant les scientifiques de la nécessité de recréer les mélanges exacts de protéines dans les tissus vivants.
“La character ne fait pas beaucoup de conception ascendante, moléculaire et axée sur la précision comme nous le faisons en laboratoire”, a déclaré Xu. “La mother nature a besoin de flexibilité pour arriver là où elle est. La mother nature ne dit pas, étudions la composition de ce virus et fabriquons un antigène pour l’attaquer. Il va exprimer une bibliothèque d’antigènes et à partir de là, choisir celui qui fonctionne. ”
Ce caractère aléatoire peut être exploité pour concevoir des polymères synthétiques qui se mélangent bien avec les protéines naturelles, créant ainsi des plastiques biocompatibles as well as facilement que les methods ciblées actuelles, explique Xu.
En collaboration avec le statisticien appliqué Haiyan Huang, professeur à l’UC Berkeley, les chercheurs ont développé des méthodes d’apprentissage en profondeur pour faire correspondre les propriétés des protéines naturelles aux propriétés des polymères plastiques afin de concevoir un polymère artificiel qui fonctionne de manière similaire, mais pas identique, à la protéine naturelle. Par exemple, en essayant de concevoir un fluide qui stabilise des protéines naturelles spécifiques, les propriétés les in addition importantes du fluide sont les charges électriques des sous-unités polymères et si ces sous-unités aiment ou non interagir avec l’eau, c’est-à-dire si elles sont hydrophiles. ou hydrophobe. Les polymères synthétiques ont été conçus pour correspondre à ces propriétés, mais pas aux autres caractéristiques des protéines naturelles dans le fluide.
Huang et l’étudiant diplômé Shuni Li ont formé la approach d’apprentissage en profondeur – un hybride d’intelligence artificielle (IA) classique que Huang appelle un vehicle-encodeur variationnel modifié (VAE) – sur une foundation de données d’environ 60 000 protéines naturelles. Ces protéines ont été décomposées en segments de 50 acides aminés et les propriétés des segments ont été comparées à celles de polymères artificiels composés de seulement quatre blocs de design.
Grâce aux commentaires des expériences de l’étudiant diplômé Zhiyuan Ruan dans le laboratoire de Xu, l’équipe a pu synthétiser chimiquement un groupe aléatoire de polymères, les RHP, qui imitaient les protéines naturelles en termes de charge et d’hydrophobicité.
L’extraction d’informations à partir d’un système établi, comme les protéines naturelles, est le raccourci le moreover very simple pour nous permettre de déterminer les bons critères pour créer des polymères biologiquement compatibles.”
Des collègues du laboratoire de Carlos Bustamante, professeur de biologie moléculaire et cellulaire, de chimie et de physique à l’UC Berkeley, ont effectué des études de pincettes optiques à molécule exclusive et ont clairement montré que les RHP peuvent imiter le comportement des protéines.
Xu, Huang et leurs collègues tentent maintenant d’imiter d’autres caractéristiques des protéines pour reproduire dans le plastique les nombreuses autres fonctions des polymères d’acides aminés naturels.
“Pour le instant, notre objectif est simplement de stabiliser les protéines et d’imiter les fonctions protéiques les additionally élémentaires”, a déclaré Huang. “Mais avec une conception as well as raffinée du système RHP, je pense qu’il est naturel pour nous d’explorer l’amélioration d’autres fonctions. Nous essayons d’étudier quelles compositions de séquences peuvent être informatives concernant les fonctions ou le comportement possibles des protéines que le RHP peut transporter.”
La plate-forme de conception ouvre la porte à des systèmes hybrides de polymères naturels et synthétiques, mais suggère également des moyens de fabriquer moreover facilement des matériaux biocompatibles, des larmes artificielles ou du cartilage aux revêtements pouvant être utilisés pour administrer des médicaments.
“Si vous voulez développer des biomatériaux pour interagir avec votre corps, faire de l’ingénierie tissulaire ou de l’administration de médicaments, ou si vous voulez faire un revêtement de stent, vous devez être compatible avec les systèmes biologiques”, a déclaré Xu. “Ce que vous dit ce doc est : voici les règles de conception. C’est ainsi que vous devez vous interfacer avec les fluides biologiques.”
Son objectif ultime est de repenser totalement la façon dont les biomatériaux sont actuellement conçus, automobile les méthodes actuelles – axées principalement sur l’imitation des buildings d’acides aminés des protéines naturelles – ne fonctionnent pas.
“La Foodstuff and Drug Administration n’a approuvé aucun nouveau matériau pour les biomatériaux polymères depuis des décennies, et je pense que la raison en est que beaucoup de polymères synthétiques ne fonctionnent pas vraiment – nous suivons la mauvaise way”, a-t-elle déclaré. “Nous ne laissons pas la biologie nous dire remark le matériau doit être conçu. Nous examinons les voies individuelles, les facteurs individuels, et non de manière holistique. La biologie est vraiment compliquée, mais elle est très aléatoire. Vous devez vraiment parler le même langage lorsqu’il s’agit de matériaux. C’est ce que je veux partager avec la communauté des matériaux.
Les autres co-auteurs de l’article incluent les étudiants diplômés de l’UC Berkeley Alexandra Grigoropoulos, Haotian Chen et Ivan Jayapurna Hossein Amiri et Tao Jiang, boursiers postdoctoraux de l’UC Berkeley Zhaoyi Gu, étudiant de premier cycle à l’UC Berkeley et les collaborateurs de Xu au MIT, Alfredo Alexander-Katz et Shayna Hilburg.
Les travaux ont été financés par le département américain de la Défense (W911NF-13-1-0232, HDTRA1-19-1-0011), la Nationwide Science Basis (DMR-2104443), le Division of Energy’s Place of work of Science (DE-AC02- 05-CH11231) et l’initiative Matter-to-Existence de la Fondation Alfred P. Sloan.