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Fibre amyloïde polymère avec 128 protéines répétées. Crédit : Jingyao Li
La protéine hybride amyloïde-soie conçue artificiellement et développée dans le laboratoire de Zhang surpasse même certaines soies d’araignée.
On dit que la soie d’araignée est l’un des matériaux les plus solides et les plus résistants de la planète. Aujourd’hui, des ingénieurs de l’Université de Washington à St. Louis ont conçu des protéines hybrides de soie amyloïde et les ont produites dans des bactéries modifiées. Les fibres résultantes sont plus solides et plus résistantes que certaines soies d’araignées naturelles.
Leurs recherches ont été publiées dans la revue ACS Nano.
Les 128 protéines répétées ont donné une fibre avec une résistance gigapascale qui est plus résistante que l’acier ordinaire. La ténacité des fibres est supérieure à celle du Kevlar et de toutes les fibres de soie recombinantes précédentes. Sa résistance et sa ténacité sont encore plus élevées que certaines fibres de soie d’araignée naturelles signalées. Crédit : Washington University à St. Louis/Jingyao Li
Pour être précis, la soie artificielle – surnommée fibre «amyloïde polymère» – n’a pas été techniquement produite par des chercheurs, mais par des bactéries génétiquement modifiées dans le laboratoire de Fuzhong Zhang, professeur au Département d’ingénierie énergétique, environnementale et chimique du École d’ingénierie McKelvey.
Zhang a déjà travaillé avec de la soie d’araignée. En 2018, son laboratoire a conçu des bactéries qui ont produit une soie d’araignée recombinante avec des performances comparables à celles de ses homologues naturels dans toutes les propriétés mécaniques importantes.
“Après nos précédents travaux, je me suis demandé si nous pouvions créer quelque chose de mieux que la soie d’araignée en utilisant notre plate-forme de biologie synthétique”, a déclaré Zhang.
L’équipe de recherche, qui comprend le premier auteur Jingyao Li, doctorant dans le laboratoire de Zhang, a modifié l’amino acide séquence de protéines de soie d’araignée pour introduire de nouvelles propriétés, tout en conservant certaines des caractéristiques attrayantes de la soie d’araignée.
Un problème associé à la fibre de soie d’araignée recombinante – sans modification significative de la séquence de soie d’araignée naturelle – est la nécessité de créer des nanocristaux β, un composant principal de la soie d’araignée naturelle, qui contribue à sa résistance. “Les araignées ont compris comment filer des fibres avec une quantité souhaitable de nanocristaux”, a déclaré Zhang. “Mais lorsque les humains utilisent des procédés de filage artificiel, la quantité de nanocristaux dans une fibre de soie synthétique est souvent inférieure à celle de son homologue naturel.”
Pour résoudre ce problème, l’équipe a repensé la séquence de soie en introduisant des séquences amyloïdes qui ont une forte tendance à former des nanocristaux . Ils ont créé différentes protéines amyloïdes polymères en utilisant trois séquences amyloïdes bien étudiées comme représentants. Les protéines résultantes avaient des séquences d’acides aminés moins répétitives que la soie d’araignée, ce qui les rend plus faciles à produire par des bactéries modifiées. En fin de compte, les bactéries ont produit une protéine amyloïde polymère hybride avec 128 unités répétitives. L’expression recombinante de la protéine de soie d’araignée avec des unités répétitives similaires s’est avérée difficile.
Ce tableau compare la ténacité et la résistance de différentes fibres de soie naturelles et recombinantes. En rouge, la fibre amyloïde polymère développée dans le laboratoire de Fuzhong Zhang. Crédit : Washington University à St. Louis/Jingyao Li
Plus la protéine est longue, plus la fibre résultante est solide et résistante. Les 128 protéines répétées ont donné une fibre avec une résistance gigapascale (une mesure de la force nécessaire pour casser une fibre de diamètre fixe), qui est plus résistante que l’acier ordinaire. La ténacité des fibres (une mesure de la quantité d’énergie nécessaire pour casser une fibre) est supérieure à celle du Kevlar et de toutes les fibres de soie recombinantes précédentes. Sa résistance et sa ténacité sont encore plus élevées que certaines fibres de soie d’araignée naturelles signalées.
En collaboration avec Young-Shin Jun, professeur au Département de génie énergétique, environnemental et chimique, et son doctorant Yaguang Zhu, l’équipe a confirmé que les propriétés mécaniques élevées des fibres amyloïdes polymères proviennent en effet de la quantité accrue de nanocristaux . .
Ces nouvelles protéines et les fibres qui en résultent ne sont pas la fin de l’histoire des fibres synthétiques hautes performances du laboratoire de Zhang. Ils ne font que commencer. “Cela démontre que nous pouvons concevoir la biologie pour produire des matériaux qui surpassent les meilleurs matériaux de la nature”, a déclaré Zhang.
Ce travail a exploré seulement trois des milliers de séquences amyloïdes différentes qui pourraient potentiellement améliorer les propriétés de la soie d’araignée naturelle. “Il semble y avoir des possibilités illimitées dans l’ingénierie de matériaux hautes performances à l’aide de notre plate-forme”, a déclaré Li. « Il est probable que vous puissiez utiliser d’autres séquences, les intégrer à notre conception et également obtenir une fibre aux performances améliorées. »
Référence : « La fibre amyloïde polymère synthétisée microbiologiquement favorise la formation de cristaux β et affiche la résistance à la traction Gigapascal » par Jingyao Li, Yaguang Zhu, Han Yu, Bin Dai, Young-Shin Jun et Fuzhong Zhang, 12 juillet 2021, ACS Nano.
DOI : 10.1021 / acsnano.1c02944
Cette recherche a été soutenue par le Département de l’agriculture des États-Unis, n° 20196702129943, et l’Office of Naval Research, n° N000141912126.
