CE19 - Technologies pour la santé

Empreintes biomoléculaires par des matériaux peptidiques hybrides – Peptimprint

Peptimprint: Matériaux à empreintes moléculaires biomimétiques de protéines à base d'aminoacides

Les polymères à empreintes moléculaires (MIP) constituent une alternative aux anticorps pour des applications de diagnostic ou de thérapies ciblées. Cependant, les MIPs de protéines restent difficiles à réaliser à cause de leur taille, flexibilité et faible solubilité dans les solvants organiques. Les cavités imprimées obtenues diffèrent fortement des surfaces de reconnaissance que l'on trouve dans les paratopes, car ils en présentent pas les groupes fonctionnels des aminoacides naturels.

Vers des matériaux mimant les paratopes des anticorps à partir de monomères dérivés d' aminoacides

The main objective of Peptimprint is to set-up a ground-breaking technology to prepare highly specific tridimensional and functionalized imprints of biomolecules by template-assembly and inorganic polymerization of a variety of original hybrid building blocks mimicking amino acids. Unfunctionalized blocks (e.g. tetraethoxysilane (TEOS), methyltriethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, bis(triethoxysilyl)ethylene, mono-silylated PEG or bis-silylated PEG) will be also used concomitantly to create the network in biocompatible conditions to preserve the fragile protein structure. Once the template molecule removed, the hollow cavities will be able to capture the biomolecule which was previously imprinted with very high selectivity and affinity. Indeed, unlike classical molecular imprint polymers (MIPs), the resulting inorganic/bioorganic hybrid material will recapitulate not only the shape but also the complementary functions of the biomolecular template.<br />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.

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-revelant 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.
Fist a collection of silylated amino acids will be prepared using solid-phase and solution phase approaches. Trialkoxysilane moieties will be introduced on the amino acid structure.
These novel building blocks could be polymerized with sol-gel process, yielding Si-O-SI silane bonds.
Then specific conditions and catalysis will be optimized in order to use these blocks in the presence of target protein. The prior immobilization of the protein will be studies as long as the concentration, use of other building blocks taking part in the network as spacers, cement or porosity templates.
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 the functionalized hybrid blocks all around the template.

en cours

Le projet Peptimprint permettra (i) d’établir une méthode sol-gel générique (ii) des réactifs adaptés (acides aminés hybrides) pour la préparation d’empreintes moléculaires hautement fonctionnalisées. D'un point de vue technologique, si des données analytiques convaincantes sont obtenues à l'aide des dispositifs utilisant les empreintes hybrides, le développement de capteurs sélectifs pour la détection et la quantification de biomarqueurs sera envisagé. En effet, le concept de Peptimprint peut être généralisé à d’autres types de biomolécules (oligosaccharides, oligonucléotides etc.) ou même à des objets micrométriques (virus, bactéries) élargissant le champ des applications.

en cours

Peptimprint s'appuie sur la complémentarité de cinq équipes expertes dans la conception de molécules bioactives (part. 1- IBMM éq. aminoacides), le développement analytique (part. 1-IBMM éq. sciences analytiques), le procédé sol-gel et les matériaux hybrides (part.2-ICG éq. CMOS), les dispositifs microfluidiques (part.3-L2C éq. POMM) et l'étude des interactions biomoléculaires et des biocapteurs (part.4-IRCM éq. criblage).

Objectifs
L'objectif principal de Peptimprint est de mettre au point une technologie de rupture pour préparer des empreintes tridimensionnelles de peptides et de protéines, par un procédé sol-gel utilisant des blocs de construction hybrides originaux mimant les acides aminés. Des blocs non fonctionnalisés (par exemple le tétraéthoxysilane) seront utilisés de manière concomitante pour créer le réseau. Une fois la molécule-‘template’ retirée, les cavités seront capables de la recapturer avec une très grande sélectivité. Le deuxième objectif de Peptimprint est la préparation de dispositifs à empreintes moléculaires pour la détection, la séparation, la concentration et l’extraction des biomolécules en milieu complexe. Des puces de résonance plasmonique de surface (SPR) et de microbalance à quartz (QCM) ainsi que les canaux microfluidiques à base de polydimethylsiloxane (PDMS) seront modifiés avec des empreintes biomimétiques.

Défis scientifiques
Les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) ‘classiques’ souffrent de limitations importantes. Tout d'abord, les conditions de polymérisation (solvants organiques, non-sélectivité vs chaînes latérales d'acides aminés ...) peuvent affecter la structure de la biomolécule ‘template’ et donner une empreinte inexacte. De plus, les MIPs de grosses protéines génèrent de grandes cavités souvent dépourvues de groupes fonctionnels qui perdent toute spécificité vis-à-vis du ‘template’.
L'approche Peptimprint fait tomber de telles barrières. Le processus sol-gel se déroule dans l’eau, à pH 7.4 et à température ambiante, préservant l'intégrité structurale et fonctionnelle du ‘template’. De plus, les monomères hybrides originaux (mimes d'acides aminés) utilisés dans Peptimprint récapitulent tous les types d'interactions (e.g. ionique, liaison hydrogène, aromatique…) impliquées dans les interactions réelles entre biomolécules. En 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 gabarit.

Modèles et applications
Plusieurs modèles couvrant une grande gamme de tailles (1,5 à 150 kDa) et de fonctions seront utilisés pour Peptimprint. Il s’agit de la vancomycine, du peptide C, de la kallikréine humaine 1, de fragments d'anticorps et d’un anticorps thérapeutique. Des empreintes de ces protéines seront préparées à la surface de dispositifs QCM et SPR. D'autre part, les ‘templates’ seront soit adsorbés soit greffés de manière covalente sur un moule en silicium à partir duquel seront fabriqués les microcanaux en PDMS hybride. Ces puces seront utilisées pour les expériences d’ électrophorèse.

Impacts attendus
Le projet Peptimprint permettra (i) d’établir une méthode sol-gel générique (ii) des réactifs adaptés (acides aminés hybrides) pour la préparation d’empreintes moléculaires hautement fonctionnalisées. D'un point de vue technologique, si des données analytiques convaincantes sont obtenues à l'aide des dispositifs utilisant les empreintes hybrides, le développement de capteurs sélectifs pour la détection et la quantification de biomarqueurs sera envisagé. En effet, le concept de Peptimprint peut être généralisé à d’autres types de biomolécules (oligosaccharides, oligonucléotides etc.) ou même à des objets micrométriques (virus, bactéries) élargissant le champ des applications. Un comité consultatif stratégique sera réuni (mois 24) pour discuter des opportunités de transfert technologique et maximiser l'impact du projet.

Coordination du projet

Gilles SUBRA (Institut des Biomolécules Max Mousseron)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

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

Aide de l'ANR 560 338 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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