Lorsque les chercheurs souhaitent étudier comment le COVID nous rend malade ou quels effets des maladies telles que la maladie d’Alzheimer affectent le corps, une approche consiste à examiner ce qui se passe à l’intérieur des cellules individuelles.
Les chercheurs cultivent parfois les cellules dans un échafaudage 3D appelé « hydrogel ». Ce réseau de protéines ou de molécules imite l’environnement dans lequel les cellules vivraient à l’intérieur du corps.
Une nouvelle recherche menée par l’Université de Washington démontre une nouvelle classe d’hydrogels qui peuvent se former non seulement à l’extérieur des cellules, mais également à l’intérieur de celles-ci. L’équipe a créé ces hydrogels à partir d’éléments constitutifs de protéines conçus à l’aide d’un ordinateur pour former une structure spécifique. Ces hydrogels présentaient des propriétés mécaniques similaires à l’intérieur et à l’extérieur des cellules, offrant ainsi aux chercheurs un nouvel outil pour regrouper les protéines à l’intérieur des cellules.
L'équipe a publié ces résultats le 30 janvier dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
« Au cours des 10 dernières années, il y a eu un changement dans le monde de la biologie cellulaire », a déclaré le co-auteur principal Cole DeForest, professeur agrégé de génie chimique et de bio-ingénierie à l'UW. « Classiquement, les gens attribuent une grande partie de l'organisation interne de la cellule aux organites liés aux membranes, comme les mitochondries ou le noyau. Mais maintenant les scientifiques se rendent compte que la cellule dispose en réalité d'autres moyens de concentrer localement certaines molécules ou protéines sans utiliser de membranes, par exemple. , par des interactions protéine-protéine. Cette concentration permet à la cellule d'activer ou de désactiver des fonctions spécifiques qui peuvent être utiles ou finalement conduire à une maladie.
DeForest a poursuivi : « Ce que je trouve assez excitant ici, c'est que nous avons un bon contrôle mécanique de nos hydrogels, même lorsqu'ils sont fabriqués à l'intérieur de cellules humaines. Cela signifie que nous pouvons les régler pour qu'ils fonctionnent essentiellement comme une version synthétique de tout phénomène séquestrant que nous avons. souhaitez étudier, par exemple comment l'agrégation des protéines peut conduire à la maladie d'Alzheimer.
Un élément clé de cette recherche était que les éléments constitutifs des protéines ont été conçus à partir de zéro – ils n’existent nulle part dans la nature – à l’aide d’ordinateurs.
« Vous pouvez imaginer une protéine comme une chaîne de sous-unités appelées acides aminés. Cette chaîne se replie pour former une structure tridimensionnelle. Il existe 20 acides aminés différents et une protéine typique est composée de 100 à 200 d'entre eux. Cela fait le système est très complexe, car comment savoir comment il va se plier ? » a déclaré le co-auteur principal Rubul Mout, qui a terminé cette recherche en tant que chercheur postdoctoral à l'UW à l'Institute for Protein Design et qui est maintenant chercheur à la Harvard Medical School et au Boston Children's Hospital. « C'est là que l'ordinateur entre en jeu : il effectue des calculs pour estimer la forme tridimensionnelle la plus probable. Et de même, vous pouvez lui indiquer la forme que vous souhaitez et la séquence dont vous avez besoin pour construire la protéine. »
Pour fabriquer une variété d'hydrogels ayant des propriétés différentes, l'équipe a utilisé la conception informatique pour contrôler le degré de souplesse ou de rigidité des éléments constitutifs des protéines et la manière dont les éléments constitutifs se sont organisés et connectés pour créer l'hydrogel. Les chercheurs ont également utilisé deux méthodes différentes pour relier les éléments constitutifs entre eux : l’une les liait de manière irréversible et l’autre permettait aux protéines de se déconnecter et de se reconnecter.
« Les systèmes réticulés de manière irréversible seront intrinsèquement plus stables, ce qui les rendra meilleurs pour la culture cellulaire à long terme et l'ingénierie tissulaire fonctionnelle », a déclaré DeForest, qui est également membre du corps professoral de l'UW Molecular Engineering and Sciences Institute et de l'UW Institute for Stem. Médecine Cellulaire et Régénérative. « Mais les systèmes réticulés de manière réversible sont plus fluides, ce qui pourrait être plus efficace pour piloter des interactions protéine-protéine spécifiques au sein des cellules vivantes. »
Pour déterminer si les hydrogels dans les cellules avaient des caractéristiques similaires à celles de leurs homologues extracellulaires, les chercheurs ont examiné si les éléments constitutifs des hydrogels pouvaient se déplacer. Un hydrogel plus rigide serait plus susceptible de piéger les protéines dans une position par rapport à un gel plus fluide. Les propriétés mécaniques de chaque type d’hydrogel sont restées même à l’intérieur d’une cellule.
L’équipe prévoit d’explorer davantage ce système, notamment en étant capable de mieux contrôler la façon dont les hydrogels se forment et se localisent dans les cellules.
Selon les chercheurs, la partie la plus cruciale de ce projet était la collaboration entre les concepteurs de protéines et les ingénieurs chimistes et biologiques.
« Notre collaboration interdisciplinaire avec le groupe de Cole a été très passionnante et a ouvert la voie à de nouvelles classes de biomatériaux avec un large éventail d'applications », a déclaré le co-auteur principal David Baker, directeur de l'Institute for Protein Design.
