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Vendredi, Février 3, 2023

Les chimistes de Princeton créent des points quantiques à température ambiante à l'aide de protéines personnalisées

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Le professeur Michael Hecht et son groupe de recherche à Princeton ont fait une découverte importante dans le domaine de la chimie en créant la première protéine de novo connue qui catalyse la synthèse des points quantiques. Les points quantiques sont des nanocristaux aux propriétés fluorescentes qui sont utilisés dans une gamme d'applications électroniques, y compris les écrans LED et les panneaux solaires. Cette nouvelle méthode de création de points quantiques a le potentiel d'être plus durable et plus respectueuse de l'environnement que les méthodes actuelles, car elle démontre que des matériaux fonctionnels peuvent être synthétisés à l'aide de séquences de protéines qui ne sont pas dérivées de la nature.


Des chercheurs du département de chimie de Princeton ont découvert la première protéine de novo connue qui catalyse ou pilote la synthèse de points quantiques.

La nature utilise 20 canoniques

acides aminés
Les acides aminés sont un ensemble de composés organiques utilisés pour fabriquer des protéines. Il existe environ 6 acides aminés naturels connus, bien que seulement 0 apparaissent dans le code génétique. Les protéines sont constituées d'une ou plusieurs chaînes d'acides aminés appelées polypeptides. La séquence de la chaîne d'acides aminés amène le polypeptide à se plier en une forme qui est biologiquement active. Les séquences d'acides aminés des protéines sont codées dans les gènes. Neuf acides aminés protéinogènes sont dits "essentiels" pour l'homme car ils ne peuvent pas être produits à partir d'autres composés par le corps humain et doivent donc être consommés comme aliments.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>acides aminés comme blocs de construction pour fabriquer des protéines, combinant leurs séquences pour créer des molécules complexes qui remplissent des fonctions biologiques.


Mais que se passe-t-il avec les séquences pas sélectionné par la nature ? Et quelles possibilités résident dans la construction de séquences entièrement nouvelles pour créer du roman, ou encore, des protéines ayant peu de ressemblance avec quoi que ce soit dans la nature ?

Une image de points quantiques prise au microscope électronique. Ces points quantiques ont été produits dans le laboratoire Hecht en utilisant des protéines de novo. Chacun d'eux mesure 2 nanomètres de diamètre, un facteur important car la taille des particules détermine la couleur dans laquelle ils brillent ou émettent une fluorescence. Crédit : avec l'aimable autorisation des laboratoires Hecht et Scholes

C'est le terrain où Michael Hecht, professeur de chimie, travaille avec son groupe de recherche. Et récemment, leur curiosité pour concevoir leurs propres séquences a porté ses fruits.


Ils ont découvert le premier connu de novo (nouvellement créée) protéine qui catalyse ou pilote la synthèse des points quantiques. Les points quantiques sont des nanocristaux fluorescents utilisés dans les applications électroniques, des écrans LED aux panneaux solaires.

Leur travail ouvre la porte à la fabrication de nanomatériaux de manière plus durable en démontrant que des séquences de protéines non dérivées de la nature peuvent être utilisées pour synthétiser des matériaux fonctionnels, avec des avantages prononcés pour l'environnement.

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Les points quantiques sont normalement fabriqués dans des environnements industriels avec des températures élevées et des solvants toxiques et coûteux - un processus qui n'est ni économique ni respectueux de l'environnement. Mais Hecht et son groupe de recherche ont réussi le processus en laboratoire en utilisant de l'eau comme solvant, créant un produit final stable à température ambiante.


"Nous sommes intéressés à fabriquer des molécules vivantes, des protéines, qui ne sont pas apparues dans la vie", a déclaré Hecht, qui a dirigé la recherche avec Greg Scholes, professeur de chimie William S. Tod et directeur du département. « D'une certaine manière, nous nous demandons s'il existe des alternatives à la vie telle que nous la connaissons ? Toute vie sur terre est née d'une ascendance commune. Mais si nous fabriquons des molécules réalistes qui ne sont pas issues d'ascendance commune, peuvent-elles faire des trucs sympas ?

"Alors ici, nous fabriquons de nouvelles protéines qui ne sont jamais apparues dans la vie en faisant des choses qui n'existent pas dans la vie."

Le processus de l'équipe peut également ajuster la taille des nanoparticules, qui détermine la lueur ou la fluorescence des points quantiques de couleur. Cela offre des possibilités pour marquer les molécules dans un système biologique, comme la coloration des cellules cancéreuses. invivo.

Le professeur Michael Hecht et étudiant diplômé de cinquième année et co-auteur de la recherche sur les points quantiques Yueyu Yao, au laboratoire Frick. Crédit : Photo de Jesse Condon

"Les points quantiques ont des propriétés optiques très intéressantes en raison de leur taille", a déclaré Yueyu Yao, co-auteur de l'article et étudiant diplômé de cinquième année au laboratoire de Hecht. «Ils sont très bons pour absorber la lumière et la convertir en énergie chimique, ce qui les rend utiles pour être transformés en panneaux solaires ou en tout type de capteur photo.

"Mais d'un autre côté, ils sont également très bons pour émettre de la lumière à une certaine longueur d'onde souhaitée, ce qui les rend adaptés à la fabrication d'écrans LED."

Et parce qu'ils sont petits - composés d'environ 100 atomes et peut-être 2 nanomètres de diamètre - ils sont capables de pénétrer certaines barrières biologiques, ce qui rend leur utilité dans les médicaments et l'imagerie biologique particulièrement prometteuse.

Pourquoi utiliser de novo protéines ?

"Je pense utiliser de novo les protéines ouvrent une voie à la conception », a déclaré Leah Spangler, auteur principal de la recherche et ancien postdoctorant au Scholes Lab. « Un mot clé pour moi est 'ingénierie'. Je veux pouvoir concevoir des protéines pour faire quelque chose de spécifique, et c'est un type de protéine avec lequel vous pouvez le faire.



"Les points quantiques que nous fabriquons ne sont pas encore de grande qualité, mais cela peut être amélioré en ajustant la synthèse", a-t-elle ajouté. "Nous pouvons obtenir une meilleure qualité en concevant la protéine pour influencer la formation de points quantiques de différentes manières."

Leah Spangler, auteur principal de l'article, au Frick Lab l'année dernière. Crédit : Photo de
C. Todd Reichart, Département de chimie

Sur la base des travaux effectués par l'auteur correspondant Sarangan Chari, un chimiste senior du laboratoire de Hecht, l'équipe a utilisé un de novo protéine qu'il a conçue nommée ConK pour catalyser la réaction. Les chercheurs ont isolé ConK pour la première fois en 2016 à partir d'une grande bibliothèque combinatoire de protéines. Il est toujours composé d'acides aminés naturels, mais il est qualifié de "de novo» parce que sa séquence n'a aucune similitude avec une protéine naturelle.

Les chercheurs ont découvert que ConK permettait la survie de E. coli à des concentrations autrement toxiques de cuivre, ce qui suggère qu'il pourrait être utile pour la liaison et la séquestration des métaux. Les points quantiques utilisés dans cette recherche sont fabriqués à partir de sulfure de cadmium. Le cadmium étant un métal, les chercheurs se sont demandé si ConK pouvait être utilisé pour synthétiser des points quantiques.


Leur intuition a payé. ConK décompose la cystéine, l'un des 20 acides aminés, en plusieurs produits, dont le sulfure d'hydrogène. Cela agit comme la source de soufre actif qui va ensuite réagir avec le cadmium métallique. Le résultat est des points quantiques CdS.

"Pour fabriquer un point quantique de sulfure de cadmium, vous avez besoin que la source de cadmium et la source de soufre réagissent en solution", a déclaré Spangler. «Ce que fait la protéine, c'est fabriquer lentement la source de soufre au fil du temps. Ainsi, nous ajoutons initialement le cadmium, mais la protéine génère le soufre, qui réagit ensuite pour créer des tailles distinctes de points quantiques.

Référence : « Une protéine de novo catalyse la synthèse de points quantiques semi-conducteurs » par Leah C. Spangler, Yueyu Yao, Guangming Cheng, Nan Yao, Sarangan L. Chari, Gregory D. Scholes et Michael H. Hecht, 12 décembre 2022, Actes de l'Académie nationale des sciences.
DOI: 10.1073 / pnas.2204050119

Cette recherche a été soutenue par le programme MRSEC de la National Science Foundation (DMR-2011750), le

L'Université de Princeton
Fondée en 1746, l'Université de Princeton est une université de recherche privée de l'Ivy League à Princeton, New Jersey et la quatrième plus ancienne institution d'enseignement supérieur aux États-Unis. Il offre un enseignement de premier cycle et des cycles supérieurs en sciences humaines, en sciences sociales, en sciences naturelles et en génie.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Princeton University Writing Center et Canadian Institute for Advanced Research. La recherche a également été soutenue par la subvention NSF MCB-1947720 à MH.


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