De petits essieux et rotors en protéines pour des machines moléculaires
Les premiers composants d’un moteur moléculaire – des essieux et des rotors auto-assemblés composés de protéines spécialement conçues – ont été créés entièrement à partir de zéro.
Des composants d’un moteur moléculaire
« Nous commençons très simplement », déclare Alexis Courbet de l’université de Washington. Mais au fur et à mesure que lui et son équipe créeront des pièces de base, il deviendra possible de les combiner en nanomachines toujours plus sophistiquées, dit-il.
« Il pourrait y avoir un nombre incroyable d’applications », déclare David Baker, membre de l’équipe, également à l’université de Washington. Par exemple, les nanomachines pourraient un jour être utilisées pour déboucher les artères ou réparer les cellules endommagées, dit-il.
Il existe déjà d’innombrables machines moléculaires sur Terre. Les organismes vivants sont essentiellement constitués de machines protéiques, y compris d’innombrables formes de moteurs rotatifs, comme la « queue » ou le flagelle de certaines bactéries.
Mais comme ces machines ont été optimisées par l’évolution à des fins spécifiques, il est difficile de les adapter à d’autres fins, explique Baker. « Ce que nous avons découvert, c’est que si l’on revient au point de départ et que l’on essaie de tout concevoir à partir des premiers principes, on peut aller beaucoup plus loin. » Pour y parvenir, Courbet, Baker et leurs collègues ont conçu de nouvelles protéines différentes de celles que l’on trouve dans la nature.
Les protéines sont des chaînes d’acides aminés. Les protéines naturelles sont composées d’environ 20 acides aminés différents, et la séquence des acides aminés dans une chaîne détermine la structure de la protéine. La prédiction de la forme dans laquelle une séquence donnée se pliera est l’un des principaux problèmes sur lesquels les biologistes travaillent depuis des décennies, mais d’énormes progrès ont été réalisés récemment grâce aux logiciels d’apprentissage profond.
Plusieurs versions différentes d’essieux et de rotors
Courbet a conçu plusieurs versions différentes d’essieux et de rotors en utilisant une suite de logiciels appelée Rosetta, développée par le groupe de Baker. Cette suite comprend RoseTTaFold, qui est similaire au système AlphaFold développé par la société britannique d’IA DeepMind.
L’équipe a fabriqué les machines en plaçant l’ADN codant pour les protéines personnalisées dans des bactéries E. coli, puis a vérifié leur structure à l’aide d’une méthode appelée microscopie électronique cryogénique.
Cette méthode a montré que les essieux s’assemblaient correctement à l’intérieur des rotors et a également révélé les différentes conformations auxquelles on pourrait s’attendre si ces essieux tournaient dans les rotors. Mais comme la microscopie électronique cryogénique ne peut fournir qu’une série d’images fixes plutôt qu’une image en mouvement, l’équipe ne peut pas dire avec certitude si les axes tournent dans les rotors.
Si c’est le cas, il ne s’agirait que d’un mouvement aléatoire de va-et-vient induit par le mouvement brownien, c’est-à-dire des molécules qui se heurtent les unes aux autres au cours de leur déplacement. L’équipe conçoit maintenant d’autres composants afin d’entraîner le mouvement dans une seule direction et de créer un moteur rotatif, explique M. Baker.
Un assemblage très complexe
« Je suis assez stupéfait », déclare John Moult, de l’université du Maryland. « Pour autant que je sache, c’est la première fois que quelqu’un s’approche de la conception d’une machine à protéines ». Des groupes comme celui de Baker ont déjà conçu de nouvelles protéines individuelles, mais pas des assemblages aussi complexes.
« Je suis très impressionné par les détails structurels avec lesquels le groupe Baker a construit cet assemblage rotatif de protéines », déclare Pierre Stömmer de l’Université technique de Munich en Allemagne. « J’attends avec impatience de voir comment le groupe va mettre en œuvre un apport d’énergie à ce système pour entraîner le mouvement dans une seule direction. »
Stömmer faisait partie d’une équipe qui a dévoilé l’année dernière un piston fait d’ADN, et deux autres groupes ont également créé des machines mobiles faites d’ADN, dit-il. « Je dirai cependant que le domaine de la conception de novo de protéines rattrape rapidement son retard et pourrait bientôt dépasser celui de l’ADN. »
Ces machines deviendront une industrie majeure
Les machines à base d’ADN et de protéines pourraient toutes deux finir par être utilisées, pense Stömmer. « À mon avis, la conception et la fabrication de protéines et d’autres molécules qui font des choses vont devenir une industrie majeure qui aura des effets importants sur nos vies », déclare Moult. « On n’en est pas encore tout à fait là, à l’exception des meilleures poudres à laver ».
Cette recherche a été publiée dans Science.
Source : New Scientist
Crédit photo : iStock