Réalisation de nano-structures fonctionnelles autoassemblées à partir de protéines artificielles – ProteOrigami

Les objectifs de ce projets sont de concevoir produire et caractériser des structures supramoléculaires auto-assemblables de protéines. Ces origami protéiques seront utilisés pour organiser dans l’espace des nanomatériaux optiquement actifs. Le projet proteOrigami regroupe 4 partenaires aux expertises complémentaires en Ingénierie des protéines, caractérisation biophysique des assemblages, microscopie électronique conception de nanomatériaux optiques et caractérisation de structure hybride protéines/inorganiques. Les protéines forment spontanément des architectures très sophistiquées essentielles à leurs fonction biologiques. Cependant la conception de protéines artificielles capables de former des structures programmable reste un défi essentiellement non résolu. Nous proposons de construire des structures protéiques artificielles en utilisant comme briques élémentaires des protéines artificielles hyper stables et très efficacement produites par des méthodes standards de biologie moléculaire. Ces protéines sont solubles et stables à l’état isolé mais peuvent être assemblées et ordonnées dans une géométrie prédéfinie par des agrafes protéiques. La reconnaissance moléculaire entre brique et agrafe qui organise l’assemblage peut être efficacement générée par évolution dirigée des protéines. Les résultats préliminaires exposés démontrent clairement que cette approche originale et potentiellement généralisable est concrètement efficace.Un premier axe de travail sera consacré à la conception d’une série de nouveaux composants d’origami protéiques. Des briques de tailles différentes ou comportant des géométries modifiées seront produites et exploitées pour modifier la périodicité hélicoïdale et plus généralement l’architecture des assemblages produits. Des modules stop seront conçus pour contrôler la longueur des assemblages et un jeu de plusieurs couples briques/agrafes orthogonaux seront exploités pour induire une organisation localement ordonnée. Enfin des protéines homo-oligomériques symétriques seront utilisés comme des nœuds de branchement pour élaborer des réseaux 2D. le contrôle des architectures produites sera expérimentalement caractérisés par un ensemble de méthodes d’analyse structurale complémentaires : SAXS, TEM, CryoEM. Le second axe exploitera l’organisation spatiale précise des protéines des origamis pour positionner des éléments optiquement actifs (ou cargos) de façon à étudier leurs propriétés optiques dans ces configurations. Les différents éléments (briques agrafes, terminateurs seront produits séparément et modifié par des réactions de couplage en des points prédisposés.Cette capacité à fonctionnaliser de façon Régiosélective sera exploitée pour positionner de façon organisée des cargo tels que Fluorochromes, boites quantiques ou particules plasmiques. Ces nano assemblages hybrides pourront manifester des propriétés émergentes (Super radiance, laser, modes plasmons couplés) liées à leur organisation régulière à l’échelle du nm ou à leur position dans le champ proche (1-10nm) les uns des autres (effet Purcell, FRET, transfert d’énergie médié par plasmon). Les propriétés spectroscopiques de fluorescence et de diffusion seront analysés à la fois collectivement et sur des objets individuels. Le dernier aspect exploré sera d’utiliser une nouvelle approche de morphosynthèse protéique de monocristaux d’or récemment développée par deux des participants. Cette fonctionnalité sera préservée au sein des origami puisqu’une partie essentielle de la surface active reste disponible. L’objectif est de faire croitre une structure plasmonique à l’intérieur ou sur une face des origami. Si les émetteurs sont pré-positionnés à une distance appropriée de la surface, le couplage entre le dipôle de l’émetteur et le champ proche plasmonique sera maximal. Une telle approche constituerait la première stratégie permettant de positionner de façon coordonnée des structures émettrices et plasmoniques et d’étudier ainsi ces propriétés.