Points quantiques à température ambiante, utilisant une protéine conçue en laboratoire


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  • La nature utilise 20 acides aminés canoniques comme blocs de construction pour fabriquer des protéines, combinant leurs séquences pour créer des molécules complexes qui remplissent des fonctions biologiques.

    Mais que se passe-t-il avec les séquences ne pas sélectionné par la nature ? Et quelles possibilités résident dans la construction de séquences entièrement nouvelles pour créer du roman, ou de novo, des protéines ayant peu de ressemblance avec quoi que ce soit dans la nature ?

    C’est le terrain sur lequel travaille le Hecht Lab de l’Université de Princeton. Et récemment, leur curiosité pour la conception de leurs propres séquences a porté ses fruits.

    Ils ont découvert le premier connu de novo protéine qui catalyse ou pilote la synthèse des points quantiques. Les points quantiques sont des nanocristaux fluorescents utilisés dans les applications électroniques, des écrans LED aux panneaux solaires.

    Leur travail ouvre la porte à la fabrication de nanomatériaux de manière plus durable en démontrant que des séquences de protéines non dérivées de la nature peuvent être utilisées pour synthétiser des matériaux fonctionnels, avec des avantages prononcés pour l’environnement.

    Les points quantiques sont normalement fabriqués dans des environnements industriels avec des températures élevées et des solvants toxiques et coûteux – un processus qui n’est ni économique ni respectueux de l’environnement. Mais les chercheurs de Hecht Lab ont réussi le processus sur le banc en utilisant de l’eau comme solvant, créant un produit final stable à température ambiante.

    « Nous sommes intéressés à fabriquer des molécules vivantes, des protéines, qui ne sont pas apparues dans la vie », a déclaré le professeur de chimie Michael Hecht, qui a dirigé la recherche avec Greg Scholes, professeur de chimie William S. Tod et directeur du département. « D’une certaine manière, nous demandons s’il existe des alternatives à la vie telle que nous la connaissons ? Toute vie sur terre est issue d’une ascendance commune. Mais si nous fabriquons des molécules réalistes qui ne sont pas issues d’une ascendance commune, peuvent-elles faire des choses intéressantes ?

    « Alors ici, nous fabriquons de nouvelles protéines qui ne sont jamais apparues dans la vie en faisant des choses qui n’existent pas dans la vie. »

    Le processus de l’équipe peut également ajuster la taille des nanoparticules, qui détermine la lueur ou la fluorescence des points quantiques de couleur. Cela offre des possibilités pour marquer les molécules dans un système biologique, comme la coloration des cellules cancéreuses. invivo.

    « Les points quantiques ont des propriétés optiques très intéressantes en raison de leur taille », a déclaré Yueyu Yao, co-auteur de l’article et étudiant diplômé de cinquième année au Hecht Lab. « Ils sont très bons pour absorber la lumière et la convertir en énergie chimique, ce qui les rend utiles pour être transformés en panneaux solaires ou en tout type de capteur photo.

    « Mais d’un autre côté, ils sont également très bons pour émettre de la lumière à une certaine longueur d’onde souhaitée, ce qui les rend adaptés à la fabrication d’écrans LED. »

    Et parce qu’ils sont petits – composés d’environ 100 atomes et peut-être 2 nanomètres de diamètre – ils sont capables de pénétrer certaines barrières biologiques, ce qui rend leur utilité dans les médicaments et l’imagerie biologique particulièrement prometteuse.

    La recherche « A de novo protéine catalyse la synthèse de points quantiques semi-conducteurs », a été publié cette semaine dans le Actes de l’Académie nationale des Sciences (PNAS).

    Pourquoi utiliser des protéines de novo ?

    « Je pense utiliser de novo les protéines ouvrent une voie à la conception », a déclaré Leah Spangler, auteur principal de la recherche et ancienne postdoctorante au Scholes Lab. « Un mot clé pour moi est « ingénierie ». Je veux pouvoir concevoir des protéines pour faire quelque chose de spécifique, et c’est un type de protéine avec lequel vous pouvez le faire.

    « Les points quantiques que nous fabriquons ne sont pas encore de grande qualité, mais cela peut être amélioré en ajustant la synthèse », a-t-elle ajouté. « Nous pouvons obtenir une meilleure qualité en concevant la protéine pour influencer la formation de points quantiques de différentes manières. »

    Sur la base des travaux effectués par Sarangan Chari, chimiste senior du Hecht Lab et auteur correspondant, l’équipe a utilisé un de novo protéine qu’il a conçue nommée ConK pour catalyser la réaction. Les chercheurs ont isolé ConK pour la première fois en 2016 à partir d’une grande bibliothèque combinatoire de protéines. Il est toujours composé d’acides aminés naturels, mais il est qualifié de « de novo » car sa séquence n’a aucune similitude avec une protéine naturelle.

    Les chercheurs ont découvert que ConK permettait la survie de E. coli à des concentrations autrement toxiques de cuivre, ce qui suggère qu’il pourrait être utile pour la liaison et la séquestration des métaux. Les points quantiques utilisés dans cette recherche sont fabriqués à partir de sulfure de cadmium. Le cadmium étant un métal, les chercheurs se sont demandé si ConK pouvait être utilisé pour synthétiser des points quantiques.

    Leur intuition a payé. ConK décompose la cystéine, l’un des 20 acides aminés, en plusieurs produits, dont le sulfure d’hydrogène. Cela agit comme la source de soufre actif qui va ensuite réagir avec le cadmium métallique. Le résultat est des points quantiques CdS.

    « Pour fabriquer un point quantique de sulfure de cadmium, vous avez besoin que la source de cadmium et la source de soufre réagissent en solution », a déclaré Spangler. « Ce que fait la protéine, c’est fabriquer la source de soufre lentement au fil du temps. Ainsi, nous ajoutons le cadmium au départ, mais la protéine génère le soufre, qui réagit ensuite pour créer des tailles distinctes de points quantiques. »

    Cette recherche a été soutenue par le programme MRSEC de la National Science Foundation (DMR-2011750), le Princeton University Writing Center et l’Institut canadien de recherches avancées. La recherche a également été soutenue par la subvention NSF MCB-1947720 à MH.

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