Les chercheurs de l'Université de Rice ont révélé de nouvelles relations séquences-structure pour la personnalisation des matériaux de vie conçus (Elms), permettant un contrôle plus précis sur leur structure et comment ils réagissent aux forces de déformation comme l'étirement ou la compression.
L'étude, publiée dans un numéro spécial de Biologie synthétique ACSse concentre sur la modification des matrices de protéines, qui sont les réseaux de protéines qui fournissent une structure aux ormes. En introduisant de petits changements génétiques, l'équipe a découvert qu'elle pouvait faire une différence substantielle dans la façon dont ces matériaux se comportaient. Ces résultats pourraient ouvrir des portes pour les progrès de l'ingénierie tissulaire, de l'administration de médicaments et même de l'impression 3D des dispositifs vivants.
Nous sommes des cellules d'ingénierie pour créer des matériaux personnalisables avec des propriétés uniques. Bien que la biologie synthétique nous ait donné des outils pour modifier ces propriétés, le lien entre la séquence génétique, la structure et le comportement des matériaux a été largement inexploré jusqu'à présent. «
Caroline Ajo-Franklin, professeur de biosciences et auteur correspondant de l'étude
En utilisant des techniques de biologie synthétique, l'équipe a travaillé avec une bactérie appelée Caulobacter Crescenttus. Les membres précédents du laboratoire ont conçu les bactéries pour produire une protéine appelée Bud (abréviation de « ascendante de novo »), qui aide les cellules à rester ensemble et à former une matrice de soutien. Cela a permis aux bactéries de se développer en structures de la taille d'un centimètre, que le groupe appelle Bud-Elms.
Adoptant cette approche d'ingénierie, les chercheurs ont varié la longueur de segments de protéines spécifiques appelés polypeptides de type élastine (ELP) et ont créé de nouveaux matériaux. L'équipe a caractérisé le Bud-Elm d'origine et deux nouvelles variantes et a découvert chacune des propriétés différentes. Le premier matériau, appelé Bud40avait les ELP les plus courts et formé des fibres plus épaisses qui ont abouti à un matériau en vrac plus rigide. Le deuxième type, bourgeon60a eu des ELP de longueur de longueur et a créé une combinaison de globules et de fibres, produisant le matériau le plus fort sous contrainte d'oscillation de déformation. Enfin, Bud80qui avait les ELP les plus longs, a généré des fibres plus minces, résultant en un matériau moins rigide qui se brise facilement sous une contrainte de déformation.
L'imagerie avancée et les tests mécaniques ont montré que ces différences n'étaient pas seulement cosmétiques – elles ont également affecté la façon dont les matériaux géraient la contrainte et s'écoulaient sous pression. BOURGEON60par exemple, pourrait résister à plus de force et s'adapter mieux aux changements dans son environnement, ce qui le rend idéal pour des applications telles que l'impression 3D ou la livraison de médicaments.
Les trois matériaux avaient deux choses en commun: ils présentaient un comportement d'amincissement de cisaille fournir des médicaments de manière contrôlée.
« Cette étude est l'une des premières à se concentrer sur la construction de matériaux de vie à partir de zéro avec des propriétés mécaniques sur mesure plutôt que de simplement ajouter des fonctions biologiques », a déclaré Esther Jimenez, étudiante diplômée en biosciences et premier auteur de l'étude. « En faisant de petits ajustements aux séquences protéiques, nous avons acquis des informations précieuses sur la façon de concevoir des matériaux avec des propriétés mécaniques spécifiques. »
Les utilisations potentielles s'étendent au-delà du champ biomédical; Ces matériaux d'auto-assemblage pourraient être adaptés aux applications de nettoyage environnemental ou d'énergie renouvelable comme la création de structures biodégradables ou l'exploitation de processus naturels pour générer de l'énergie.
« Ce travail met l'accent sur l'importance de comprendre les relations séquence-structure », a déclaré Carlson Nguyen, senior, un principal major et deuxième auteur de l'étude. « En identifiant comment des modifications génétiques spécifiques affectent les propriétés des matériaux, nous construisons une base pour la conception de matériaux de vie de nouvelle génération. »
Cette recherche a été soutenue par une bourse de recherche diplômée de la National Science Foundation, l'Institut de prévention du cancer et de recherche du Texas et la Welch Foundation.
