Activité biocatalytique de surfaces fonctionnalisées contrôlée par stimuli mécaniques – BioStretch

Les systèmes vivants sont des structures complexes qui s'adaptent en permanence au monde qui les entoure sous l'influence de stimuli extérieurs. Ces dernières années de nombreuses études ont révélé l'importance des stimuli mécaniques sur les comportements cellulaires, thématique plus connue sous le nom de mécanotransduction. Ce procédé est basé en partie sur la modification conformationnelle de protéines sous l'influence de forces extérieures. Par exemple, la fibronectine, une protéine d'adhésion, possède des sites peptidiques dits "cryptiques" qui, sous étirement, sont exhibés et favorisent ainsi l'adhésion. Un nouveau domaine scientifique d'étude s'est ainsi développé décrivant les changements d'affinité ou de réactivité de molécules uniques suite à des stimuli mécaniques. Ces modifications structurales de protéines ou d'enzymes sous étirement peuvent être mises à profit pour créer de nouveaux types de surfaces ou de matériaux répondant à un étirement. Ce domaine, à l'inverse de celui des études sur les molécules uniques, est encore très balbutiant. Les quelques matériaux répondant à un stimulus mécaniques et qui ont été décrits à ce jours se limitent à un changement de leur coloration sous l'effet de l'étirement. De plus, ce changement est rarement réversible. Nos groupes ont été les premiers à développer récemment une surface qui, sous étirement, devient enzymatiquement active, et ce de manière réversible. Ce premier exemple était basé sur des films dans lesquels étaient enfouies des protéines recouvertes par des chaines de polymères "barrière". Sous étirement, la barrière devenait plus fine, permettant aux enzymes d'exhiber leurs sites catalytiques. Cette architecture est cependant difficilement généralisable à un grand nombre de systèmes.
L'objectif de ce projet est de développer des films et des matériaux présentant une activité enzymatique modulable en fonction du degré d'étirement. L'étirement des surfaces engendrera un étirement local sur l'enzyme. Il s'agit donc de créer une nouvelle classe de matériaux qui miment, à un niveau macroscopique, le comportement de protéines ou d'enzymes impliquées dans la mécanotransduction. Trois types de systèmes sont proposés à l'étude:
1) des surfaces de silicone modifiées chimiquement sur lesquelles seront greffées, de manière covalente des enzymes;
2) des gels de polyacrylamides dans lesquels auront également été insérées de manière covalente les enzymes.
3) des multicouches de polyélectrolytes partiellement réticulées et déposées sur un support de silicone, et dans lesquelles auront été insérées des enzymes par des liaisons covalentes.
Deux enzymes modèles seront étudiées : l'alcaline phosphatase et la bêta-galactosidase. Elles ont été sélectionnées car leur activité enzymatique peut être facilement mise en évidence par fluorescence et car elles sont commercialement disponibles. Ces enzymes seront modifiées chimiquement par greffage d'espaceurs se terminant par des groupements maléimides ou des groupements acrylates permettant leur couplage covalent au reste de la structure.
Le nouveau concept de ces matériaux repose sur l'idée que l'étirement du gel ou des supports en silicone devrait transmettre une contrainte mécanique sur les enzymes et par la même modifier leur conformation et ainsi leur activité enzymatique. Caractériser l'étirement au niveau nanométrique voire moléculaire constitue donc également l'un des enjeux de ce projet. Pour ce faire nous proposons d'inclure dans les gels ou de greffer sur les surfaces de silicone des molécules contenant deux groupements pyrène, reliés par des espaceurs. Sous étirement, les deux groupements pyrène devraient se séparer l'un de l'autre changeant ainsi leurs propriétés d'émission de fluorescence. Ces molécules joueront donc le rôle de nano-mécano senseur.
Ce projet vise donc à jeter les bases d'un nouveau type de matériaux que l'on pourrait qualifier de "mechano-transductive materials".