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Technologie Moléculaire pour des Matériaux Fonctionnels (TMOL)
Edition 2014


COFFIT


Technologies moléculaires pour des architectures repliées hybrides

Technologies moléculaires pour les architectures repliées hybrides
Les chimistes ont développé divers oligomères synthétiques “les foldamères” ayant une propension au repliement. Les foldamères ouvrent des perspectives en design moléculaire mais ne peuvent être soumis aux méthodes d’évolution dirigée des biopolymères qui permettent l’émergence rapide de fonctions au sein d’aptamères peptidiques ou nucléotidiques. Ce projet vise à lever ces limites en combinant les technologies de synthèse de foldamères avec celles de traduction in vitro de peptides.

Combinaisons de foldamères aromatiques et de peptides dans des structures repliées hybrides
Ce projet interdisciplinaire vise à développer une nouvelle technologie moléculaires combinant les avantages liés à la haute stabilité et à la prévisibilité des foldamères amides aromatiques, à la puissance des méthodes d’évolution dirigée et de sélection in vitro de peptides utilisant les systèmes FIT (Flexible In-vitro Translation) et Rapid (Random nonstandard Peptide Integrated Discovery). Quatre objectifs ont été définis: 1°) Preuve de concept du repliement de peptides assisté par un foldamère. L’évolution dirigée de peptides produira des ligands pour des foldamères donnés. La structure des peptides ainsi liés sera élucidée; 2°) Mise en œuvre de l’expression ribosomale de peptides ayant un foldamère lié qui puisse servir de gabarit de repliement, et de l’évolution dirigée de ces hybrides foldamère-peptide.; 3°) Incorporation d’unités monomériques de foldamères dans des peptides par expression ribosomale d’ARNm. Nous explorerons la capacité de l’expression ribosomale in vitro à incorporer des monomères non naturels pouvant aider le repliement ; 4°) Utilisation des architectures hybrides foldamères-peptides pour lier des cibles difficiles grâce à leur propriétés de repliement améliorées. Un minéral (l’hydroxyapatite) et une protéine (le collagène) impliqués dans la réparation osseuse et tissulaires seront pris pour cibles.

Synthèse organique, biologie moléculaire et élucidation de structures.
Le projet met en œuvre un grand éventail de méthodes expérimentales. La synthèse organique chimique en solution et sur support solide permet de produire des unités acides aminées aromatiques et leur assemblage dans des séquences de foldamères qui serviront de gabarit pour le repliement de peptides soit au sein de complexes non covalents foldamères-peptides, soit au sein d’adduits covalents. La synthèse chimique permet également l’accès sur des échelles de dizaines de milligrammes aux peptides et aux séquences hybrides en vue des études structurales. Ces dernières font appel à diverses méthodes physico-chimiques comme la RMN et la diffraction des rayons X sur des monocristaux. Enfin, des méthodes de biologie moléculaires sont appliquées pour exprimer des peptides in vitro et en faire la sélection au cours de processus d’évolution dirigée.

Résultats

1) Expression ribosomale d’une protéine avec des petits foldamères (jusqu’à quatre unité) attachés à l’extrémité N terminale. Jamais une protéine n’avait été exprimée par un ribosome avec un objet moléculaire aussi grand (de surcroit replié) à son extrémité.
2) Dans la même lignée, expression ribosomale de macrocycles comprenant un segment peptidique et un segment foldamère lui-même replié en hélice et contraignant la conformation du segment peptidique
3) Identification de peptides liant fortement la surface d’un foldamère

Perspectives

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Productions scientifiques et brevets

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Partenaires

CBMN-CNRS Chimie et Biologie des Membrances et Nano-Objets - CNRS-Univ. Bordeaux-INP

The University of Tokyo Bioorganic Chemistry Lab, Department of Chemistry, Graduate School of Science

Aide de l'ANR 225 564 euros
Début et durée du projet scientifique décembre 2014 - 36 mois

Résumé de soumission

Objectifs
Ce projet interdisciplinaire vise à développer une nouvelle technologie moléculaire combinant le bénéfice des hautes stabilité et prévisibilité des structures repliées de foldamères amide aromatique et la puissance de l’expression in vitro de peptides par les systèmes « Flexible In-vitro Translation (FIT) » et « Random nonstandard Peptide Integrated Discovery (RaPID) ».
Le projet comprend quatre objectifs spécifiques: 1°) Démonstration de principe du repliement de peptides induit par un foldamère. L’évolution dirigée de peptides produira des ligands pour des cibles foldamères. Les structures des peptides liés seront élucidées; 2°) Mise au défi de la traduction ribosomale d’ARNm en peptides liés par liaison covalente à un foldamère servant à induire le repliement, et évolution dirigée de telles structures hybrides foldamère-peptide; 3°) Incorporation de monomères aromatiques dans des peptides par traduction ribosomale d’ARNm. Dans des expériences déterminantes, nous explorerons la possibilité d’incorporer des unités non naturelles pouvant induire un repliement dans des peptides produits par expression in vitro. 4°) Mise en place de fonctions dans des architectures hybrides foldamère-peptide: nouveaux ligands pour l’hydroxyapatite (HA) et le collagène. Les objectifs 1-3 visent tous à construire des hybrides qui, du fait de leur repliement induit, sont de meilleurs candidats pour lier une cible réputée difficile, comme le minéral HA ou la protéine collagène, impliqués dans la régénération des os et des tissus.

Valeur ajoutée à l’état de l’art
Nous développerons des protocoles pour combiner la synthèse chimique de foldamères et l’expression in vitro de peptides pour produire des architectures repliées hybrides fonctionnelles. Peu de tentatives existent de telles combinaisons. Le concept d’utiliser un foldamère entier pour induire le repliement d’un peptide est nouveau. Nos progrès dans cette direction devraient produite une science innovante dans le domaine des architectures moléculaires repliées avec des applications potentielles pour la réparation et la régénération des os et des tissus. Au-delà de ces cibles, notre technologie pour produire des architectures hybrides devrait être utile dans une vaste gamme de contextes académiques et industriels.

Approche technique
Tâche 1 : des foldamères amides aromatiques produits par synthèse sur support solide serviront de cible pour l’évolution dirigée de peptides par les méthodes FIT et RaPID. Les motifs d’association des peptides aux foldamères seront élucidés par RMN et cristallographie. Ces peptides seront combinés à d’autres séquences peptidiques pouvant lier HA ou le collagène. Tâche 2 : de courtes séquences foldamères seront incorporées dans des peptides par la méthode FIT pour induire le repliement des hybrides ainsi produits. L’évolution dirigée de ces hybrides sera conduite pour identifier des ligands de HA ou du collagène. Tâche 3 : des monomères aromatiques seront synthétisés et la possibilité de leur incorporation dans une séquence peptidique par expression ribosomale sera étudiée. Ces séquences seront ciblées vers HA ou le collagène.

Résultats attendus
Chaque tâche apporte un incrément de difficulté mais aussi un impact potentiel croissant. Les résultats attendus incluent : (i) l’identification et la caractérisation de complexes hybrides foldamère-peptide avec des groupes fonctionnels divergeant; (ii) la démonstration que des foldamères amide aromatique peuvent induire le repliement de peptides moyens; (iii) la traduction in vitro et la sélection de peptides ayant un foldamère lié covalemment; (iv) possiblement, l’expression ribosomale d’acides delta-aminé au sein de séquence peptidiques ; (v) des hybrides foldamères-peptide capable de lier HA ou le collagène et de servir de « colle moléculaire » pour la réparation et la régénération des os et des tissus.

 

Programme ANR : Technologie Moléculaire pour des Matériaux Fonctionnels (TMOL) 2014

Référence projet : ANR-14-JTIC-0003

Coordinateur du projet :
Madame Céline DOUAT (Chimie et Biologie des Membrances et Nano-Objets - CNRS-Univ. Bordeaux-INP)

 

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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.