Les nanostructures d’origami d’ADN (bleu) peuvent être utilisées pour programmer la forme des particules virales (gris). La capside native d’un diamètre de 28 nanomètres est représentée en vert-gris. Crédit : Mauri A. Kostiainen/Aalto University
Les protéines qui encapsulent les virus peuvent être moulées dans des formes définies à l’aide de nanostructures d’origami d’ADN et d’ARN.
Des bio-ingénieurs ont découvert une méthode permettant de personnaliser la taille et la forme des particules virales. Cette nouvelle approche, qui consiste à fusionner les éléments constitutifs des protéines virales et les modèles d’ADN, offre des applications potentielles dans les domaines de la création de vaccins et de l’administration de médicaments.
Sommaire
Utilisation des protéines de la capside des virus
Les protéines de la capside des virus, le bouclier protecteur du génome d’un virus, peuvent servir de base à la création d’assemblages protéiques méticuleusement structurés. Toutefois, leur forme et leur géométrie dépendent principalement de la souche du virus. La reprogrammation de ces assemblages, indépendamment du plan viral d’origine, représente une possibilité alléchante dans des domaines tels que l’administration de médicaments et la mise au point de vaccins.
L’équipe scientifique a relevé ce défi en générant un modèle de « génome structuré » pour l’assemblage des protéines de la capside. Ils ont utilisé des structures rigides d’origami d’ADN pour empêcher la déformation du génome flexible et la formation de formes indésirables. Ces structures sont minuscules, de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, mais elles sont entièrement constituées d’ADN, qui est plié avec précision dans la forme souhaitée du modèle.
Le rôle des interactions électrostatiques
« Notre approche repose sur des interactions électrostatiques entre la charge négative des nanostructures d’ADN et un domaine chargé positivement des protéines de la capside, associées à des interactions intrinsèques entre les différentes protéines. En modifiant la quantité de protéines utilisée, nous pouvons affiner le nombre de couches de protéines hautement ordonnées qui encapsulent l’origami d’ADN », explique Iris Seitz, auteur principal et chercheur doctorant à l’université d’Aalto.
« En utilisant l’origami d’ADN comme modèle, nous pouvons orienter les protéines de la capside vers une taille et une forme définies par l’utilisateur, ce qui permet d’obtenir des assemblages bien définis, à la fois en longueur et en diamètre. En testant diverses structures d’origami d’ADN, nous avons également appris comment la géométrie des modèles affectait l’ensemble de l’assemblage », ajoute Seitz.
Imagerie par microscopie électronique cryogénique
« Grâce à l’imagerie par microscopie électronique cryogénique, nous avons pu visualiser les protéines hautement ordonnées lors de leur assemblage et, par conséquent, mesurer les moindres changements dans la géométrie de l’assemblage résultant de différents modèles », explique le professeur Juha Huiskonen, collaborateur scientifique de l’université d’Helsinki.
Pertinence et applications
« Nous avons trouvé une stratégie simple mais efficace pour (ré)orienter les protéines de capside vers une forme souhaitée. Notre approche est adaptable et n’est donc pas limitée à un seul type de protéine de capside, comme nous l’avons démontré avec des protéines de capside provenant de quatre virus différents. En outre, nous pouvons modifier notre modèle pour qu’il soit plus adapté aux applications, par exemple en intégrant de l’ARN dans l’origami, qui pourrait ensuite être traduit en protéines utiles ou spécifiques à un site », explique Mauri Kostiainen, professeur à l’université d’Aalto et chef du projet de recherche.
Bien que les structures d’origami d’ADN soient un matériau prometteur pour interfacer des systèmes biologiques, elles souffrent d’instabilité, en particulier en présence d’enzymes dégradant l’ADN.
Dans les expériences, cependant, « nous pouvons clairement observer que la couche de protéines protège efficacement les nanostructures d’ADN encapsulées contre la dégradation. En combinant la protection avec les propriétés fonctionnelles de l’origami d’acide nucléique, y compris la possibilité de délivrer de l’ADN ou de l’ARN messager avec d’autres molécules de cargaison, nous pensons que notre approche offre des orientations futures intéressantes pour l’ingénierie biomédicale », conclut Kostiainen.
Référence : « DNA-origami-directed virus capsid polymorphism » par Iris Seitz, Sharon Saarinen, Esa-Pekka Kumpula, Donna McNeale, Eduardo Anaya-Plaza, Vili Lampinen, Vesa P. Hytönen, Frank Sainsbury, Jeroen J. L. M. Cornelissen, Veikko Linko, Juha T. Huiskonen et Mauri A. Kostiainen, 17 juillet 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-023-01443-x
Ce travail a été mené conjointement à l’université d’Aalto (Finlande) avec des chercheurs de l’université d’Helsinki (Finlande), de l’université Griffith (Australie), de l’université de Tampere (Finlande) et de l’université de Twente (Pays-Bas).