CE19 - Technologies pour la santé

Peptide-like materials as highly specific molecular imprints – Peptimprint

Peptimprint: Biomimetic molecularly imprinted materials of proteins from of hybrid amino acid building blocks

Molecularly imprinted polymers (MIP) are an attractive alternative to antibodies in diagnosis or targeted therapies applications. However, the imprint of proteins remains difficult due to their large size, conformational flexibility and low solubility in organic solvents. Moreover, the imprinted cavities obtained from organic polymers strongly differ from natural recognition surfaces found in paratopes, missing functional groups matching the multiple recognition sites of a protein.

Towards materials mimicking antibodies paratopes prepared from original aminoacids building blocks

L'objectif principal de Peptimprint est de mettre en place une technologie révolutionnaire pour préparer des empreintes tridimensionnelles et fonctionnalisées hautement spécifiques de biomolécules par assemblage de modèles et polymérisation inorganique d'une variété de blocs de construction hybrides originaux imitant les acides aminés. Des blocs non fonctionnalisés (par exemple le tétraéthoxysilane (TEOS), le méthyltriéthoxysilane, le diméthyldiéthoxysilane, le bis(triéthoxysilyl)éthylène, le PEG mono-silylé ou le PEG bis-silylé) seront également utilisés simultanément pour créer le réseau dans des conditions biocompatibles afin de préserver la structure fragile des protéines. Une fois la protéine modèle retirée, les cavités creuses pourront recapturer la protéine qui a servi de ‘moule’, et ce avec une très grande sélectivité et affinité. En effet, contrairement aux polymères à empreinte moléculaire classiques (MIP), le matériau hybride inorganique/bioorganique qui en résultera récapitulera non seulement la forme mais aussi les fonctions complémentaires de la matrice biomoléculaire.<br />Le deuxième objectif de Peptimprint est la préparation de dispositifs imprimés sans précédent pour la détection, la séparation des biomolécules et leur extraction et concentration dans des échantillons biologiques. Des puces à résonance plasmonique de surface (SPR) et à microbalance à quartz (QCM) ainsi que des canaux microfluidiques à base de polydiméthylsiloxane (PDMS) seront modifiés avec des empreintes biomimétiques hybrides.

Les MIPs classiques souffrent de limitations importantes. Tout d'abord, les conditions de polymérisation (solvants organiques, non-sélectivité par rapport aux chaînes latérales d'acides aminés...) affectent la structure de la matrice, ce qui donne des MIP non significatifs. Deuxièmement, l'obtention d'une grande cavité dépourvue de groupes fonctionnels génère des empreintes non spécifiques qui ne parviennent pas à imiter la diversité des interactions faibles que l'on trouve dans les systèmes de reconnaissance naturels.
L'approche Peptimprint fait tomber ces barrières.
Tout d'abord, une collection d'acides aminés silylés sera préparée en utilisant des approches en phase solide et en solution. Des groupes trialcoxysilane seront introduits dans la structure des acides aminés.
Ces nouveaux blocs hybrides pourront être polymérisés par le procédé sol-gel, donnat des liaisons silane Si-O-SI.
Des conditions de polymerisation inorganique et une catalyse spécifique seront optimisées afin d'utiliser ces blocs en présence de la protéine cible. L'immobilisation préalable de la protéine fera l'objet d'études ainsi que la concentration, l'utilisation d'autres blocs de construction participant au réseau comme espaceurs, ciment ou agents de porosité.
Le processus sol-gel se déroule à un pH physiologique, dans des conditions aqueuses et à température ambiante en préservant l'intégrité structurelle et fonctionnelle de la matrice protéique. En outre, les monomères hybrides originaux (imitations d'acides aminés) utilisés dans Peptimprint récapituleront tous les types d'interactions (liaison ionique/hydrogène/empilage hydrophobe/aromatique) impliqués dans les interactions réelles entre les biomolécules. Procédant beaucoup plus lentement que la photopolymérisation utilisée dans les MIPS classiques, l'approche sol-gel de Peptimprint favorise une auto-organisation des blocs hybrides fonctionnalisés tout autour du modèle protéique.

on going work

The Peptimprint project will (i) establish a generic sol-gel method (ii) adapted reagents (hybrid amino acids) for the preparation of highly functionalized molecular fingerprints. From a technological point of view, if convincing analytical data are obtained using the devices using hybrid fingerprints, the development of selective sensors for the detection and quantification of biomarkers will be envisaged. Indeed, the Peptimprint concept can be generalised to other types of biomolecules (oligosaccharides, oligonucleotides etc.) or even to micrometric objects (viruses, bacteria), broadening the field of applications.

on going work

Peptimprint relies on the complementarity and expertise of five teams specialized in the conception of bioactive compounds (Partner 1-IBMM-team amino acids), analytical development (Partner 1-IBMM-team analytical sciences), sol-gel process and hybrid materials (Partner 2-ICG-team CMOS), microfluidics devices (Partner 3-L2C-team POMM) and study of biomolecular interactions by biosensors development (Partner 4-IRCM-team criblage)

Objectives
The main objective of Peptimprint is to set-up a ground-breaking technology to prepare specific tridimensional and functionalized imprints of peptides and large proteins by sol-gel process, polymerizing original hybrid building blocks mimicking amino acids around the biomolecular template. Unfunctionalized blocks (e.g. tetraethoxysilane, dimethyldichlorosilane) will be used concomitantly to create the network. Once the template biomolecule removed, the hollow cavities will be able to capture these biomolecules with very high selectivity. The second objective of Peptimprint is the preparation of unprecedented imprinted devices for the detection, separation of biomolecules and their extraction and concentration in biological samples. Surface Plasmon Resonance (SPR) and Quartz Crystal Microbalance (QCM) chips as well as polydimethylsiloxane (PDMS) based microfluidics channels will be modified with hybrid biomimetic imprints.

Scientific challenges
Classical molecular imprinted polymers (MIPs) suffer important limitations. Firstly, the polymerization conditions (organic solvents, non-selectivity vs amino acid side-chains…) affect the structure of the template yielding a non-relevant MIPs. Secondly, the obtainment of a large cavities deprived of functional groups generate non-specific imprints that failed to mimic the diversity of weak interactions found in natural recognitions systems.
Peptimprint approach is bringing down such barriers. The sol-gel process takes place at physiological pH, in aqueous conditions and at room temperature preserving the structural and functional integrity of the protein template. Moreover, the original hybrid monomers (amino acid mimics) used in Peptimprint will recapitulate all types of interactions (ionic/hydrogen bonding/hydrophobic/aromatic stacking) involved in real interactions between biomolecules. Proceeding much more slowly than photopolymerization used in classical MIPS, sol-gel approach of Peptimprint favours a self-organization of all the functionalized hybrid blocks around the template.

First models and applications
Several peptide and proteins templates covering a wide range of size (from 1.5 to 150 kDa) and functions will be used as models for Peptimprint. It includes vancomycin, C-peptide, human kallikrein1, antibody fragments and therapeutic antibody. Hybrid imprints of such proteins will be prepared on the surface of QCM and SPR devices and the interaction will be studied. On the other hand, models will be either adsorbed or covalently grafted on the silicon mold to cast hybrid-PDMS microchannels. The later will be used for electrophoric analyses.

Expected impacts
Fundamental knowledge on molecular imprinting will be gathered thanks to Peptimprint project including (i) a generic and straightforward sol-gel method and (ii) tailored reagents (hybrid amino acids) for the inorganic polymerization of functionalized imprints. From a technological point of view, if convincing analytical data are obtained using imprinted microfluidics devices or sensors, the development of relevant selective sensors for the detection and the quantification of biomarkers will be envisioned. Indeed, Peptimprint concept can be generalized to any other types of biomolecules (oligosaccharides, oligonucleotides etc.) or even objects (viruses, bacteria) enlarging the scope of biomedical applications. A strategic advisory board will be gathered (month 24) to discuss the technological transfer opportunities and to maximize the dissemination impact.

Project coordination

Gilles SUBRA (Institut des Biomolécules Max Mousseron)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

L2C Laboratoire Charles Coulomb
ICGM Institut de chimie moléculaire et des matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier
IRCM INSTITUT DE RECHERCHE EN CANCEROLOGIE DE MONTPELLIER
IBMM Institut des Biomolécules Max Mousseron

Help of the ANR 560,338 euros
Beginning and duration of the scientific project: December 2018 - 36 Months

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