Élucider et répliquer l’assemblage de cristaux liquides de collagène in vivo, in silico et in vitro

1. Résumé du projet

Le collagène est une biomolécule omniprésente dans le corps humain qui contribue à la stabilité mécanique de nombreux tissus, notamment les tendons, la peau, les os, les vaisseaux sanguins, le cartilage et la cornée. Ces tissus se dégradent au cours de la vie humaine – un problème qui s’aggrave puisque que les humains vivent de plus en plus longtemps. L’ingénierie tissulaire offre un potentiel énorme pour atténuer les effets délétères de la perte de tissu liée à l’âge et à la maladie. Cependant, la reconstitution de la structure hiérarchique des tissus à base de collagène, qui est essentielle à leur fonction, demeure un défi de taille.

Dans les travaux proposés, nous associons un chimiste des matériaux, un chimiste informaticien et une biologiste moléculaire pour s’attaquer à une question importante de l’assemblage des matériaux biologiques. Nous effectuerons notamment une étude in vivo, in silico et in vitro sur la production d’échafaudages tissulaires faits de collagène biomimétique. Pour ce faire, nous utiliserons des biotechnologies recombinantes, utilisant l’auto-organisation supramoléculaire et l’assemblage de phases protéiques cristallines liquides.

Plus précisément, nous étudierons la fabrication d’un matériau collagène extracorporel naturel – le byssus de la moule – constitué de fibres rigides, dures et auto-cicatrisantes.  Ces fibres sont formées à partir de précurseurs spécialisés du collagène, connus sous le nom de preCols, via l’assemblage de cristaux liquides. Pour parvenir à cet objectif, nous appliquerons des techniques de pointe, telles que la tomographie électronique et la microscopie électronique à balayage avec faisceau d’ions focalisés, sur la glande sécrétoire du byssus et sur les vésicules de sécrétion cristallines liquides purifiées. Les paramètres quantitatifs qui découleront de cette étude seront intégrés à une investigation numérique des phases cristallines liquides bio-lyotropes – apportant une contribution essentielle au raffinement de notre modèle d’assemblage du byssus et, de plus, fournissant des contraintes pour la conception rationnelle, basée sur la bioingénierie, de nouvelles molécules de collagène imitant la moule. À l’aide des paradigmes de conception extraits, des protéines génétiquement conçues seront exprimées de manière recombinante, et leur production sera mise à l’échelle. Elles seront ensuite utilisées pour l’auto-assemblage de nouveaux matériaux à structure hiérarchique bien définie, via l’assemblage de cristaux liquides. Les matériaux seront ensuite caractérisés structurellement et mécaniquement, fournissant des informations supplémentaires en retour pour raffiner nos modèles numériques et nos séquences protéiques.

L’objectif principal est la production de nouveaux matériaux biocompatibles avec une structure définie sur plusieurs échelles et des propriétés mécaniques ajustables, qui seront pertinentes dans le domaine de l’ingénierie tissulaire. De plus, les principes d’auto-assemblage supramoléculaire développés dans nos travaux seront aussi hautement utiles pour les efforts actuels visant à fabriquer des matériaux polymères à haute performance de manière durable. Grâce à une formation ciblée et aux efforts de plusieurs étudiant(e)s impliqué(e)s dans ce project, ces deux résultats auront un impact substantiel sur les objectifs en santé humaine et environnementale du Québec, et du Canada dans son ensemble.