Contexte académique

L’auto-assemblage des protéines est un phénomène omniprésent dans les systèmes biologiques, remplissant des fonctions variées allant du support structurel à la régulation des réactions biochimiques. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans le domaine de la conception de protéines, les structures auto-assemblées existantes reposent généralement sur une symétrie stricte, ce qui limite leur taille et leur complexité. Pour surmonter cette limitation, les chercheurs se sont inspirés de la pseudosymétrie observée dans les microcompartiments bactériens et les capsides virales, développant une méthode de calcul hiérarchique pour concevoir des nanomatériaux protéiques auto-assemblés de grande taille. Cette étude vise à concevoir des nanocages protéiques plus grandes et plus complexes en brisant les contraintes de symétrie stricte, élargissant ainsi la diversité des structures protéiques auto-assemblées.

Origine de l’article

Cette recherche a été menée par Quinton M. Dowling, Young-Jun Park, Chelsea N. Fries et leurs collègues de l’University of Washington, et a été publiée en 2024 dans la revue Nature. L’équipe de recherche est principalement issue de l’Institute for Protein Design et du Department of Biochemistry de l’University of Washington, avec certains chercheurs affiliés au Howard Hughes Medical Institute.

Processus et résultats de la recherche

1. Conception de trimères hétérologues pseudosymétriques

L’équipe de recherche a commencé par un trimère homologue stable provenant de la bactérie hyperthermophile Thermotoga maritima (PDB ID : 1wa3) pour concevoir des trimères hétérologues pseudosymétriques. En introduisant des mutations pour perturber la stabilité du trimère homologue et en combinant ces mutations avec des mutations compensatoires pour restaurer l’assemblage du trimère, les chercheurs ont réussi à concevoir trois trimères hétérologues pseudosymétriques distincts. Ces trimères hétérologues, grâce à différentes combinaisons de séquences d’acides aminés, ont formé de nouvelles interfaces protéine-protéine, réalisant ainsi la pseudosymétrie.

Méthodes expérimentales :

• Sélection des mutations : Le logiciel Rosetta a été utilisé pour calculer l’impact des mutations sur la stabilité du trimère, permettant de sélectionner les mutations perturbant la stabilité du trimère et leurs mutations compensatoires.
• Validation expérimentale : Les trimères mutés ont été exprimés dans un système d’expression E. coli, et leur capacité d’assemblage a été vérifiée par Native PAGE et spectrométrie de masse.

Résultats :

Les chercheurs ont conçu avec succès trois trimères hétérologues pseudosymétriques et ont validé leur capacité d’assemblage par des expériences. Ces trimères hétérologues peuvent s’assembler avec un pentamère connu pour former des nanocages.

2. Conception de nanocages à 240 sous-unités

Sur la base des trimères hétérologues pseudosymétriques conçus, les chercheurs ont ensuite conçu des nanocages à 240 sous-unités présentant une symétrie icosaédrique. En effectuant un docking computationnel entre les trimères hétérologues et les trimères homologues, et en concevant de nouvelles interfaces protéine-protéine, les chercheurs ont réussi à construire la nanocage gi4-f7.

Méthodes expérimentales :

• Docking et conception : Des méthodes de docking computationnel ont été utilisées pour assembler les trimères hétérologues et homologues, et de nouvelles interfaces ont été conçues.
• Expression et purification : Les composants de la nanocage ont été exprimés dans un système d’expression E. coli et purifiés par IMAC et SEC.
• Validation structurale : La structure de la nanocage a été résolue par cryo-microscopie électronique (cryo-EM).

Résultats :

La structure cryo-EM a montré que la nanocage gi4-f7 avait un diamètre d’environ 49 nm, en accord étroit avec le modèle de conception. L’assemblage réussi de cette nanocage a validé la faisabilité de la méthode de conception pseudosymétrique.

3. Découverte et conception de nanocages à 540 sous-unités

Dans les images cryo-EM de gi4-f7, les chercheurs ont découvert par hasard une nanocage plus grande de 71 nm, nommée gi9-f7. Cette nanocage est composée de 540 sous-unités et présente une structure similaire à gi4-f7, mais avec une taille plus grande et un mode d’assemblage plus complexe.

Méthodes expérimentales :

• Résolution structurale : La structure de gi9-f7 a été résolue par cryo-EM.
• Validation de l’assemblage : L’assemblage de gi9-f7 a été optimisé en ajustant les proportions de trimères hétérologues et homologues.

Résultats :

La structure cryo-EM a montré que la nanocage gi9-f7 avait un diamètre d’environ 71 nm, en accord étroit avec le modèle de conception. Cette découverte a démontré davantage l’extensibilité de la méthode de conception pseudosymétrique.

4. Conception de nanocages extensibles

Sur la base des conceptions de gi4-f7 et gi9-f7, les chercheurs ont proposé une stratégie de conception de nanocages extensibles. En introduisant un nouveau trimère homologue (bbb), les chercheurs ont conçu avec succès la nanocage gi16-f7, d’un diamètre de 96 nm et composée de 960 sous-unités.

Méthodes expérimentales :

• Résolution structurale : La structure de gi16-f7 a été résolue par cryo-EM.
• Validation de l’assemblage : L’assemblage de la nanocage a été vérifié par DLS et cryo-EM.

Résultats :

La structure cryo-EM a montré que la nanocage gi16-f7 avait un diamètre d’environ 96 nm, en accord étroit avec le modèle de conception. Cette conception a encore étendu la taille et la complexité des nanocages pseudosymétriques.

Conclusion et signification

Cette étude a démontré, grâce à une méthode de conception pseudosymétrique hiérarchique, la conception des plus grandes nanocages protéiques calculées à ce jour. Ces nanocages, de taille et de complexité bien supérieures aux conceptions précédentes, montrent le potentiel énorme de la méthode de conception pseudosymétrique dans le domaine de l’auto-assemblage des protéines. Cette recherche élargit non seulement la diversité des structures protéiques auto-assemblées, mais fournit également de nouvelles idées pour la conception future de nanomatériaux.

Points forts de la recherche

1. Conception pseudosymétrique : En brisant la symétrie stricte, des nanocages protéiques plus grandes et plus complexes ont été conçues.
2. Stratégie de conception hiérarchique : En concevant d’abord des trimères hétérologues pseudosymétriques, puis en les utilisant comme blocs de construction pour concevoir des nanocages plus grandes, une conception précise de structures complexes a été réalisée.
3. Validation par cryo-EM : La résolution structurale des nanocages conçues par cryo-EM a validé l’exactitude de la méthode de conception.
4. Extensibilité : En introduisant un nouveau trimère homologue, des nanocages extensibles ont été conçues avec succès, montrant le potentiel d’application étendue de cette méthode.

Valeur applicative

Les nanocages protéiques conçues dans cette étude ont des perspectives d’application étendues dans des domaines tels que la livraison de médicaments, l’encapsulation d’enzymes et le développement de vaccins. Par exemple, les chercheurs ont réussi à afficher le domaine de liaison au récepteur (RBD) de la protéine Spike du SARS-CoV-2 à la surface des nanocages et ont validé leur capacité à activer les cellules B, montrant leur potentiel dans le développement de vaccins.

Résumé

Cette étude a démontré, grâce à une méthode de conception pseudosymétrique hiérarchique, la conception des plus grandes nanocages protéiques calculées à ce jour, montrant le potentiel énorme de la méthode de conception pseudosymétrique dans le domaine de l’auto-assemblage des protéines. Cette recherche élargit non seulement la diversité des structures protéiques auto-assemblées, mais fournit également de nouvelles idées pour la conception future de nanomatériaux.