Une perspective de la matière molle des protéines : Du comportement de phase à la dynamique

Les protéines sont considérées comme la machinerie de la vie. Ils sont un sujet d’étude passionnant pour de nombreuses branches de la science et de la technologie modernes, de la biologie à la médecine et la pharmacie, mais aussi dans la science colloïde, le génie chimique et la nanotechnologie. Dans de nombreux cas, non seulement le comportement des protéines individuelles doit être compris, mais plutôt les phénomènes collectifs, qui restent un défi, en particulier quantitativement. Dans de nombreux cas, des modèles dérivés de la matière molle, colloïde ou à base de polymère, peuvent être utilisés avec succès.

Après quelques remarques introductives sur la perspective de la matière molle des protéines, nous discutons des concepts pour contrôler et comprendre les diagrammes de phase des protéines, y compris les voies d’agrégation et la ramification entre eux en solution aqueuse par addition d’ions multivalents. Cette voie d’adaptation du potentiel d’interaction est exploitée pour contrôler a) la cristallisation, b) la gélification et l’agrégation amorphe, c) la formation de réseaux, ainsi que d) la formation d’agrégats plus petits, y compris leur dynamique et leur cinétique.

Tout d’abord, nous présentons une étude en temps réel de la cristallisation des protéines induite par des ions multivalents à l’aide de la diffusion à petit angle et de la microscopie optique. Sur la base de la cinétique de cristallisation, nous proposons un mécanisme à plusieurs étapes. Dans la première étape, une phase intermédiaire est formée, suivie par la nucléation des cristaux dans la phase intermédiaire. Dans l’étape suivante, la phase intermédiaire est consommée par nucléation et croissance lente. Les voies concurrentes pour l’agrégation amorphe et les états arrêtés sont également discutées.

Dans un second temps, nous présentons des investigations complémentaires de la dynamique de ces systèmes utilisant la diffusion neutronique quasi-élastique, montrant un comportement remarquablement universel de la diffusion effective en fonction de la concentration et du sel dans des conditions appropriées. Nous discutons également de la cartographie des modèles de diffusion des colloïdes.

Troisièmement, nous montrons comment ces concepts peuvent être transférés aux interactions protéine-interface, et comment le comportement d’adsorption peut être manipulé par des charges multivalentes. Nous essayons de connecter l’interface et le comportement en vrac, y compris l’adsorption de réentrant et le comportement d’interface anormal à l’approche des limites de phase en vrac.

Les contributions inestimables de nombreux collaborateurs sont reconnues avec reconnaissance, tout comme le soutien financier de BMBF, DFG et ANR.

[1] F. Roosen-Runge et al., PNAS, 108, 11815 (2011).

[2] A. Sauter et al., JACS, 137, 1485 (2015).

[3] M. Grimaldo et al., Quarterly Reviews of Biophysics, 52, e7, 1 (2019)

[4] M. R. Fries et al., Phys. Rev. Lett., 119, 228001 (2017)

[5] A. Girelli et al., Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 138004

[6] N. Begam et al., Phys. Rev. Lett., 126, 098001 (2021)

[7] M. Reiser et al., Nature Communications,13, 5528 (2022)