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Un processus microbien synthétique produit des fibres musculaires plus solides que le Kevlar

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Porteriez-vous des vêtements ou, disons, des lacets de chaussures ou une ceinture en fibres musculaires ? Et si ces fibres pouvaient supporter plus d'énergie avant de se rompre que le coton, la soie, le nylon ou même le Kevlar, et être produites sans faire de mal aux animaux ?

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Des chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l'université de Washington à St. Louis viennent de mettre au point une technologie de chimie de synthèse qui pourrait rendre cela possible. Cette méthode leur permet de polymériser des protéines à l'intérieur de microbes modifiés. Grâce à cette technologie, l'équipe a mis au point la production microbienne d'une protéine musculaire de poids moléculaire élevé, la titine, qui a ensuite été filée en fibres. Les tests ont montré que les fibres étaient plus performantes que de nombreux polymères synthétiques et naturels.

"La beauté du système est qu'il s'agit vraiment d'une plate-forme qui peut être appliquée partout", a déclaré Cameron Sargent, un étudiant en doctorat dans la division des sciences biologiques et biomédicales. "Nous pouvons prendre des protéines dans différents contextes naturels, puis les placer dans cette plateforme pour la polymérisation et créer des protéines plus grandes et plus longues pour diverses applications matérielles avec une plus grande durabilité." Sargent et Christopher Bowen, PhD, qui faisait partie du département de l'énergie, de l'environnement et de l'ingénierie chimique et qui est maintenant un scientifique senior chez Pfizer, sont les premiers auteurs de l'article de l'équipe publié dans Nature Communications, intitulé "Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties", dans lequel ils concluent : "Ces fibres ont des applications potentielles dans des domaines allant de la biomédecine aux textiles, et l'approche développée, associée aux connaissances structure-fonction, promet d'accélérer l'innovation dans la production microbienne de matériaux à haute performance"

La biologie est une grande source d'inspiration pour la conception de matériaux, car la nature peut produire de nombreux matériaux biodégradables à haute performance de manière efficace, à partir de ressources renouvelables et en utilisant uniquement des processus à faible énergie, ont noté les auteurs. Les soies d'insectes exceptionnellement résistantes et le byssus adhésif sous-marin produit par les moules n'en sont que quelques exemples. Et dans de nombreux cas, soulignent les chercheurs, "... ces matériaux naturels peuvent surpasser les meilleures alternatives disponibles à base de pétrole."

Il n'est pas toujours possible de récolter ces matériaux à partir de leurs sources naturelles, et les scientifiques ne peuvent pas toujours générer des méthodes synthétiques qui imitent les processus biosynthétiques naturels à l'échelle. "... des stratégies de production microbienne sont nécessaires pour faciliter l'utilisation pratique et le développement de ces matériaux renouvelables à haute performance", poursuit l'équipe.

La protéine musculaire synthétique produite dans le laboratoire de Fuzhong Zhang, PhD, professeur au département d'ingénierie énergétique, environnementale et chimique, a maintenant produit la protéine musculaire synthétique, la titine, qui est l'un des trois principaux composants protéiques du tissu musculaire. La grande taille moléculaire de la titine est déterminante pour ses propriétés mécaniques. "C'est la plus grande protéine connue dans la nature", a déclaré M. Sargent. Les fibres musculaires suscitent l'intérêt depuis longtemps, a déclaré Zhang. Les chercheurs ont essayé de concevoir des matériaux aux propriétés similaires à celles des muscles pour diverses applications, comme la robotique douce. "Nous nous sommes demandé pourquoi nous ne fabriquions pas directement des muscles synthétiques", a-t-il ajouté. "Mais nous n'allons pas les récolter sur des animaux, nous allons utiliser des microbes pour le faire"

Les microbes d'ingénierie peuvent être utilisés pour la production évolutive de certains composés à petites molécules, mais la production microbienne directe de polymères à haute performance mécanique est limitée, car de nombreux matériaux naturels à haute performance sont basés sur des protéines de poids moléculaire ultra-élevé (UHMW) avec des séquences d'acides aminés hautement répétitives. Ces protéines répétitives UHMW sont, selon les scientifiques, "extrêmement difficiles à produire dans les microbes en raison de leur instabilité génétique, de leur faible efficacité de traduction et de leur charge métabolique."

Pour contourner certains des problèmes qui empêchent généralement les bactéries de produire de grandes protéines, l'équipe de recherche a modifié les bactéries pour qu'elles assemblent de plus petits segments de la protéine titine en polymères UHMW d'environ deux mégadaltons, soit environ 50 fois la taille d'une protéine bactérienne moyenne. Ils ont ensuite utilisé un procédé de filage humide pour convertir les protéines en fibres d'un diamètre d'environ dix microns, soit un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain.

En collaboration avec Young Shin Jun, PhD, professeur au département d'ingénierie énergétique, environnementale et chimique, et Sinan Keten, PhD, professeur au département d'ingénierie mécanique de la Northwestern University, le groupe a ensuite analysé la structure de ces fibres afin d'identifier les mécanismes moléculaires qui permettent leur combinaison unique de ténacité, de résistance et de capacité d'amortissement exceptionnelles, c'est-à-dire la capacité de dissiper l'énergie mécanique sous forme de chaleur. Les analyses structurelles suggèrent que ces fibres de titine UHMW contiennent des paires de domaines de type Ig alignés axialement et côte à côte. "Les analyses structurelles et la modélisation moléculaire suggèrent que ces propriétés proviennent d'une cristallisation inter-chaîne unique de domaines pliés de type immunoglobuline qui résiste au glissement inter-chaîne tout en permettant le dépliage intra-chaîne", écrivent les chercheurs.

Ils affirment qu'à leur connaissance, cette réalisation représente le premier exemple de matériau à grande échelle produit à partir de la titine. "En exploitant le pouvoir de biosynthèse des microbes, ces travaux ont permis de produire un nouveau matériau haute performance qui reprend non seulement les propriétés mécaniques les plus souhaitables des fibres musculaires naturelles (c'est-à-dire une capacité d'amortissement élevée et une récupération mécanique rapide), mais aussi une résistance et une ténacité élevées, supérieures même à celles de nombreuses fibres haute performance naturelles et artificielles", ont-ils écrit.

"Les résultats de la modélisation suggèrent que les excellentes propriétés mécaniques des fibres de titine UHMW produites par voie microbienne peuvent provenir d'un appariement inter-fibrilles unique de domaines pliés de type Ig. Une telle réticulation inter-chaîne, non covalente, à travers des domaines pliés et étirables a rarement été explorée, que ce soit dans les matériaux polymères organiques ou dans d'autres fibres produites par voie microbienne."

Outre son utilisation potentielle dans les vêtements de fantaisie ou les armures de protection, M. Sargent a souligné que le matériau pourrait également avoir des applications biomédicales. Parce qu'il est presque identique aux protéines présentes dans les tissus musculaires, ce matériau synthétique est vraisemblablement biocompatible et pourrait donc être un excellent matériau pour les sutures, l'ingénierie tissulaire, etc. "La combinaison hautement souhaitable des propriétés mécaniques, du processus de production durable et de la biodégradabilité de la fibre en fait un excellent candidat pour des applications respectueuses de l'environnement dans une série de domaines allant de la biomédecine aux textiles commerciaux (par exemple, les matériaux antibalistiques, les filets, les sutures et l'ingénierie tissulaire)", a ajouté l'équipe.

"Sa production peut être bon marché et évolutive", a ajouté Zhang. "Elle pourrait permettre de nombreuses applications auxquelles les gens avaient auparavant pensé, mais avec des fibres musculaires naturelles" L'équipe de recherche de Zhang ne compte pas s'arrêter à la fibre musculaire synthétique. L'avenir réserve probablement d'autres matériaux uniques rendus possibles par leur stratégie de synthèse microbienne. Bowen, Cameron et Zhang ont déposé une demande de brevet basée sur cette recherche.

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