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Auto-assemblage de dérivés d’acides aminés et de peptides et hydrogels

L’auto-assemblage moléculaire est un processus utilisé par la nature pour créer des structures fonctionnelles avancées à partir de blocs de construction simples comme les acides aminés, les peptides, les acides nucléiques et les phospholipides. Nous avons découvert que la tyrosine a la capacité de s’auto-assembler dans différentes conditions (1). Nous avons observé que la tyrosine peut former des structures bien ordonnées lorsqu’elle est déposée sur différentes surfaces couramment utilisées en microscopie électronique à transmission (MET), microscopie à force atomique (AFM) et microscopie électronique à balayage (SEM) (Figure 1). Nous avons étudié ce phénomène en examinant l’influence de divers paramètres sur le processus d’auto-assemblage, y compris la concentration de l’acide aminé, le vieillissement, le pH et le solvant. Nous avons observé différentes structures auto-assemblées à différents intervalles de temps, y compris des nanorubans, ainsi que des structures ramifiées et en forme de fougère.

Figure 1. Images TEM (a) et AFM (b) d’une solution de tyrosine à une concentration de 500 µg/mL dans l’eau. c) Image MEB d’une solution de tyrosine à 750 µg/mL dans l’eau. d) Image TEM d’une solution de tyrosine dans l’eau à 750 µg/mL après incubation pendant 22 jours.

Nous avons exploité la capacité de la tyrosine à s’auto-assembler en fibres pour la formation d’hydrogels. Nous avons étudié la gélification d’un mélange binaire composé de Fmoc-Tyr-OH/Fmoc-Tyr(Bzl)-OH ou Fmoc-Phe-OH/Fmoc-Tyr(Bzl)-OH (Figure 2) (2). Les propriétés structurelles et physiques des gels ont été évaluées à l’aide de techniques microscopiques et par rhéologie. Des études de dichroïsme circulaire et de simulations de dynamique moléculaire ont démontré que la formation d’hydrogel était principalement due à des interactions aromatiques. Des NTC oxydés ou du GO ont été incorporés dans les hydrogels, et ils ont montré une bonne interface avec les fibrilles, en particulier les nanotubes. Enfin, l’acide l-ascorbique a été chargé dans les gels en tant que médicament hydrophile modèle à une concentration élevée. Sous une irradiation lumineuse dans le proche infrarouge, une grande quantité de médicament a été libérée sous l’effet de la chaleur générée par les nanomatériaux carbonés, offrant ainsi des perspectives intéressantes pour l’administration contrôlée de médicaments.

Figure 2. Photos du a) gel 1 + 0,025 wt % de NTC oxydés, b) gel 1 + 0,025 wt % de GO, c) gel 2 + 0,025 wt % de NTC oxydés, and d) gel 2 + 0,025 wt % de GO après 2 h de gélification. Gel 1: Fmoc-Tyr-OH/Fmoc-Tyr(Bzl)-OH et gel 2: Fmoc-Phe-OH/Fmoc-Tyr(Bzl)-OH.

Nous avons également observé des structures supramoléculaires auto-assemblées d’analogues homologués du squelette du motif diphénylalanine constitué par β3(R)Phe et γ4(R)Phe (3). Nous avons examiné l’influence de divers paramètres sur le processus d’auto-assemblage, notamment la concentration, le vieillissement, le solvant, le pH et la protection N-terminale. Nous avons observé que le peptide β (Boc-β3(R)Phe-β3(R)Phe-OH) et le peptide γ (Boc-γ4(R)Phe-γ4(R)Phe-OH) s’auto-assemblent en fibres de dimensions différentes et des formes qui subissent des changements morphologiques à pH acide (Figure 3). Les nanofibres observées de ces peptides β et γ sont stables en changeant de solvants contrairement à leur analogue parent Boc-Phe-Phe-OH qui passent plutôt de nanostructures sphériques à des nanostructures tubulaires lors du changement de solvant passant de l’alcool à l’eau.

Figure 3. Structures chimiques des peptides β et γ. (b) SEM et (c) images AFM des peptides β et γ aux concentrations de 25 mg/mL et 40 mg/mL dans l’éthanol à 50% dans l’eau, respectivement. (d) Images TEM après modification du pH en ajoutant 0,1 M HCl: peptide β formé des nanosphères coalescées tandis que le peptide γ s’est désassemblé.

Les structures dendritiques fibrillaires obtenues par auto-assemblage des peptides diphénylalanine β et γ conjugués aux NTC ont permis la croissance de cellules primaires de l’hippocampe et la modulation de leurs fonctions neuronales (4). Les restrictions géométriques dues aux nœuds nucléés de CNT ont permis la croissance de réseaux neuronaux avec le contrôle de la géométrie du réseau et l’exploration de son impact fonctionnel. Dans diverses applications issues des neurosciences de base, la présence de nœuds de CNT peut être exploitée dans des interfaces cérébrales capables de transmettre des stimuli électriques hautement localisés. Ce travail met en évidence l’effet combiné des NTC et des peptides sur la modulation de l’activité électrique neuronale.

  1. Ménard-Moyon, C. et al. (2015) Chem. Eur. J. 21,11681-11686.
  2. Guilbaud-Chéreau, C. et al. (2019) ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 13147-13157.
  3. Dinesh, B. et al. (2015) Nanoscale 7, 15873-15879.
  4. Dinesh, B. et al. (2020) ACS Chem. Neurosci. 11, 162-172.