Biomatériaux d’exception: les protéines, de l’adhésion sous-marine à la réparation osseuse

Vous avez sans doute déjà entendu parler de protéines aux propriétés extraordinaires. Pensez par exemple à la soie d’araignée, qui, à masse égale, est plus résistante que l’acier[1], ou encore à la protéine fluorescente verte (GFP), découverte chez une méduse, qui a transformé la recherche en permettant d’illuminer les cellules au microscope.

Les protéines (des polymères d’acides aminés avec des structures variées) sont omniprésentes dans le vivant et assurent une multitude de fonctions essentielles. Aujourd’hui, j’aimerais vous parler d’une protéine avec laquelle je travaille, et qui mérite pleinement sa place parmi ces biomatériaux d’exception : la protéine CsgA (curli specific gene A).

CsgA : une protéine produite par des bactéries

CsgA est une protéine fabriquée par certaines bactéries. Elle constitue un élément majeur de ce qu’on appelle un biofilm bactérien: une couche protectrice qui permet aux bactéries de mieux s’accrocher et de survivre dans des conditions difficiles.

CsgA s’assemble spontanément pour former de longues fibres très solides appelées fibres curli. Ces fibres agissent un peu comme une armature : elles renforcent la structure du biofilm et aident les bactéries à résister à la sécheresse, à l’oxydation et à d’autres stress environnementaux.

Une protéine que l’on peut « programmer »

Ce qui rend CsgA particulièrement intéressante, c’est qu’on peut la modifier génétiquement pour lui ajouter de nouvelles fonctions.

Concrètement, on peut lui greffer de petits fragments de protéines appelés peptides (de courtes chaînes d’acides aminés) afin de lui donner des propriétés supplémentaires. Par exemple, on peut rendre les fibres fluorescentes, leur permettre de neutraliser certains pathogènes ou encore améliorer leur résistance.

En d’autres mots, CsgA peut servir d’échafaudage à laquelle on ajoute différents « modules » selon l’application recherchée.

Voici quelques exemples impressionnants.

Une super-colle capable d’adhérer sous l’eau ou un textile qui s’autorépare? CsgA est polyvalente!

En s’inspirant des protéines du pied de la moule (Mussel Foot Proteins, Mfps), responsables de l’adhésion extrêmement solide des moules aux rochers en milieu marin, des chercheurs ont fusionné ces protéines avec CsgA. Cette approche a permis de créer une colle présentant une énergie d’adhésion 1,5 fois supérieure à l’ensemble des adhésifs sous-marin bio-inspiré rapporté à ce jour.[6]

Il s’agit de l’une des premières colles bio-inspirées atteignant un tel niveau de performance. Résistante à l’eau et à l’humidité, cette colle ouvre des perspectives prometteuses pour le développement d’adhésifs efficaces en milieu aqueux, avec des applications potentielles aussi bien technologiques que biomédicales.

Imaginez maintenant des textiles capables de se réparer par eux-mêmes. En incorporant des fibres de CsgA dans des tissus tricotés à base de coton et de spandex, il est possible de moduler l’élasticité du tissu. Mieux encore, des coupures de l’ordre du centimètre peuvent être réparées simplement par réhydratation : il suffit de mouiller le vêtement pour que les fibres de CsgA se réassemblent et restaurent la structure du tissu.[7]

Cette propriété repose sur la capacité d’autoassemblage des fibres curli en milieu humide. Une telle approche ouvre la voie à des textiles plus durables, réparables et potentiellement « intelligents », exploitant les propriétés adaptatives des biofilms.

Du biofilm à l’os : Quand CsgA devient charpente biologique

Les fibres de CsgA peuvent également servir de charpente biologique. En modifiant génétiquement la région centrale de la protéine pour y insérer un petit peptide ayant une forte affinité pour l’hydroxyapatite, le principal minéral constituant des os[8] ,la protéine conserve sa capacité à former des fibres tout en attirant les ions calcium et phosphate.

Ces ions déclenchent alors la formation de cristaux minéraux, recréant une structure proche de celle du tissu osseux naturel. Les fibres de CsgA modifiées favorisent ainsi une minéralisation efficace et bien organisée, ce qui en fait des candidates prometteuses pour la réparation ou la régénération des tissus osseux.

Une protéine aux perspectives prometteuses

Ce bref aperçu ne représente qu’une fraction des nombreuses applications potentielles de la protéine CsgA. Même si beaucoup de ces avancées en sont encore à un stade expérimental, CsgA, par son caractère durable, renouvelable et hautement modulable, apparaît comme une candidate de choix pour de nombreuses approches en nanobiotechnologie et en nanobiomédecine. Comme quoi, même les plus petites formes de vie peuvent inspirer les plus grandes innovations.

Quant à vous, pouvez-vous imaginer une application inattendue de cette incroyable protéine ?

Caroline Dupuis

Caroline Dupuis, B. Sc, est étudiante à la maîtrise en Biochimie sous la direction du professeur Steve Bourgault à l’UQAM. Par ses travaux elle tente de contrôler la production et l’assemblage de la protéine CsgA pour mieux l’utiliser dans des applications technologiques et biomédicales.

References:

1. Römer, L., & Scheibel, T. (2008). The elaborate structure of spider silk. Prion, 2(4), 154‑161. https://doi.org/10.4161/pri.2.4.7490

2. Tsien, R. Y. (1998). The green fluorescent protein. Annual Review of Biochemistry, 67, 509‑544. https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.67.1.509

3. Andreasen, M., Meisl, G., Taylor, J. D., Michaels, T. C. T., Levin, A., Otzen, D. E., Chapman, M. R., Dobson, C. M., Matthews, S. J., & Knowles, T. P. J. (2019). Physical Determinants of Amyloid Assembly in Biofilm Formation. mBio, 10(1), e02279-18. https://doi.org/10.1128/mBio.02279-18

4. Andersson, E. K., Bengtsson, C., Evans, M. L., Chorell, E., Sellstedt, M., Lindgren, A. E. G., Hufnagel, D. A., Bhattacharya, M., Tessier, P. M., Wittung-Stafshede, P., Almqvist, F., & Chapman, M. R. (2013). Modulation of curli assembly and pellicle biofilm formation by chemical and protein chaperones. Chemistry & Biology, 20(10), 1245‑1254. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2013.07.017

5. Chapman, M. R., Robinson, L. S., Pinkner, J. S., Roth, R., Heuser, J., Hammar, M., Normark, S., & Hultgren, S. J. (2002). Role of Escherichia coli Curli Operons in Directing Amyloid Fiber Formation. Science (New York, N.Y.), 295(5556), 851‑855. https://doi.org/10.1126/science.1067484

6. Zhong, C., Gurry, T., Cheng, A. A., Downey, J., Deng, Z., Stultz, C. M., & Lu, T. K. (2014). Self-Assembling Multi-Component Nanofibers for Strong Bioinspired Underwater Adhesives. Nature nanotechnology, 9(10), 858‑866. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.199

7. Cai, A., Abdali, Z., Saldanha, D. J., Aminzare, M., & Dorval Courchesne, N.-M. (2023). Endowing textiles with self-repairing ability through the fabrication of composites with a bacterial biofilm. Scientific Reports, 13(1), 11389. https://doi.org/10.1038/s41598-023-38501-2

8. Abdali, Z., Aminzare, M., Zhu, X., DeBenedictis, E., Xie, O., Keten, S., & Dorval Courchesne, N.-M. (2020). Curli-Mediated Self-Assembly of a Fibrous Protein Scaffold for Hydroxyapatite Mineralization. ACS Synthetic Biology, 9(12), 3334‑3343. https://doi.org/10.1021/acssynbio.0c00415