Imagerie au niveau atomique de protéines artificielles

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La science

Les scientifiques ont créé de fines feuilles cristallines semblables à du papier à l’aide d’une molécule synthétique semblable à une protéine appelée polypeptoïde. Ces nanofeuillets n’ont qu’une seule molécule d’épaisseur, les molécules étant disposées de manière très spécifique. Les scientifiques prennent des images de ces nanofeuillets à l’aide de microscopes électroniques dans des conditions cryogéniques. Jusqu’à récemment, ces images étaient floues en raison du petit nombre d’électrons qui peuvent traverser les feuilles sans causer de dommages. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des algorithmes basés sur l’apprentissage automatique pour traiter environ 500 000 images indépendantes. Le résultat est la première image claire et réelle d’atomes individuels dans un matériau synthétique souple.

L’impact

Les polymères synthétiques sont essentiels pour de nombreux produits que nous tenons pour acquis. Ceux-ci vont des meubles en plastique aux fuselages des avions modernes. Elles sont également au cœur d’appareils comme les piles à combustible et les batteries rechargeables. Ces appareils deviennent de plus en plus importants dans le paysage émergent de l’énergie propre. Toutes les propriétés importantes des polymères synthétiques dépendent de la disposition de leurs atomes. La capacité des scientifiques à positionner des atomes individuels dans des matériaux polymères améliorera notre compréhension des goulots d’étranglement qui limitent les performances des polymères synthétiques. Cette recherche marque également une étape importante dans l’ensemble des nanosciences.

Sommaire

Pour la première fois, des scientifiques ont révélé les détails structurels atomiques d’un matériau synthétique souple. Les copolymères diblocs peptoïdes sont constitués de deux chaînes de type protéine différentes qui sont liées ensemble. Ces matériaux ont été conçus pour s’adapter étroitement les uns aux autres pour former des feuilles cristallines hautement organisées dans l’eau. Les molécules individuelles et leurs orientations relatives au sein des nanofeuillets ont été directement observées par microscopie électronique à transmission cryogénique (cryo-MET), révélant des détails atomiques dans l’espace de position inaccessibles par les techniques de diffusion conventionnelles. La température ultrafroide utilisée pour congeler rapidement les nanofeuillets a effectivement verrouillé les molécules en place. L’imagerie de l’échantillon dans des conditions cryogéniques a permis d’empêcher les électrons énergétiques de détruire la structure. Pour mieux protéger les matériaux mous du faisceau d’électrons, les chercheurs ont utilisé moins d’électrons par image. Les images obtenues dans ces conditions ont été traitées à l’aide d’outils mathématiques sophistiqués et d’algorithmes d’apprentissage automatique pour produire des images haute résolution de la structure à l’échelle atomique.

La synthèse de précision combinée des polymères peptoïdes, l’imagerie atomique du cryo-MET et la modélisation informatique ont aidé les scientifiques à comprendre les structures des polymères au niveau atomique. Les chercheurs sont désormais en mesure d’effectuer des modifications au niveau atomique pour concevoir des molécules ciblées. Cela ouvre la voie à l’ingénierie rationnelle de fonctions sophistiquées dans des matériaux souples grâce à un contrôle systématique de leur structure chimique. La recherche a été menée en partie dans deux installations utilisatrices du Département de l’énergie, la fonderie moléculaire et la source lumineuse avancée.

Le financement

Ce travail a été financé par le Département de l’énergie Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division. Les travaux de la fonderie moléculaire et de la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory ont été soutenus par des projets d’utilisateurs dans ces installations d’utilisateurs, soutenus par le ministère de l’Énergie Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. Les micrographies présentées ici ont été obtenues à l’installation de cryo-MET de Donner au Lawrence Berkeley National Lab et à l’installation de cryo-MET de la région de la baie de Berkeley à l’UC Berkeley.

La source:

Référence de la revue :

Xuan, S., et al. (2021) Ingénierie et imagerie au niveau atomique des réseaux cristallins polypeptoïdes. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.1909992116.

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