Une nouvelle voie vers la fabrication de réseaux cristallins de protéines.

La conception de structures organiques composées de quelques milliers de briques élémentaires de taille nanométriques repose sur l’auto-assemblage des molécules. Ces cristaux organiques se forment spontanément, à la manière des cristaux minéraux qui croissent à partir d’un germe par l’addition successive d’atomes ou de petites molécules s’organisant de manière parfaitement régulière. Jusqu’à présent, dans le domaine des biomolécules les briques élémentaires étaient essentiellement des brins d’ADN ou des peptides. Avec ces composants, on sait maintenant réaliser des structures de complexité prédéterminée. En revanche, l’assemblage de molécules de protéines a été peu exploité.

Dans ce nouveau travail, les chercheurs de l’IMPMC et du Laboratory of Molecular Biophysics proposent un principe général pour la conception de structures cristallines à partir de protéines. Le principe est d’utiliser des molécules possédant des axes de symétrie. De manière naturelle, deux molécules différentes s’associeront selon ces axes de symétrie. Ces unités de base, préalablement synthétisées par construction et fusion génétique, s’auto-assemblent pour former des structures régulières prédéterminées dans une, deux ou trois dimensions de l’espace.

Ces nouveaux cristaux ouvrent de nouvelles voies pour l’analyse de la structure de protéines. En servant de support régulier de fixation, elles ont le potentiel de permettre aux protéines d’intérêt de former un réseau dans une, deux ou trois dimensions et donc de permettre l’utilisation d’outils tels que l’étude par rayons X ou la cryo-microscopie électronique. Ce procédé devrait ainsi permettre de résoudre des structures de protéines pour lesquelles les méthodes classiques d’étude structurales ont échouées ; en particulier, les protéines membranaires ou les protéines solubles possédant des parties flexibles.

Ces auto-assemblages ont aussi le potentiel d’être utilisés dans le développement de biocapteurs capables de réagir avec spécificité et sensibilité à des stimuli particuliers (lumière, molécules, …). L’une des étapes les plus déterminantes pour leur élaboration est l’immobilisation des biorécepteurs sur une surface de ces matériaux. Les assemblages protéiques proposés dans ce travail sont une nouvelle piste pour la réalisation de cette étape primordiale.

Exemple du mode d’auto-assemblage des briques protéiques pour l’obtention d’un cristal dans les deux dimensions.

A : Réseaux cristallins dans les 2D formés par l’auto-assemblage de protéines recombinantes (jaune et vert sur la figure). Les composants élémentaires sont associés le long de l’axe de symétrie 2. B : Image des réseaux 2D en microscopie électronique. Cliché de diffraction et carte en projection (symétrie p422 ) des cristaux présentés en A. Ces réseaux très rigides forment un support qui permettra d’ordonner les protéines dont on cherche à étudier la structure tridimensionnelle à haute résolution.