Liaison métallique des protéines de byssus riches en DOPAMetal binding of DOPA-rich byssus proteins

Collaboration postdoctorale (conception des expériences RMN, co-rédaction). Détermination par RMN des pKa locaux pour comprendre comment le contexte de séquence module la liaison métallique, l'auto-assemblage et les propriétés mécaniques des protéines de byssus riches en DOPA.Postdoctoral collaboration (NMR experimental design, co-writing). NMR-based determination of local pKa values to understand how sequence context tunes metal binding, self-assembly and mechanics of DOPA-rich mussel byssus proteins.

Les matériaux synthétiques inspirés du byssus de moule utilisent la chimie catéchol de la DOPA pour former des hydrogels réticulés par des métaux, mais leurs performances restent inférieures à celles du byssus naturel. La raison soupçonnée : ces matériaux greffent la DOPA isolément sur un polymère (PEG-DOPA), en la sortant de son contexte naturel de séquence protéique, alors que, chez la moule, la DOPA est intégrée dans la protéine mfp-1, riche en lysine. Personne n'avait testé si ce contexte de séquence changeait réellement le comportement de liaison aux métaux.Mussel-inspired synthetic materials use DOPA's catechol chemistry to form metal-cross-linked hydrogels, but they still underperform compared to the native byssus. The suspected reason: these materials graft DOPA in isolation onto a polymer (PEG-DOPA), removing it from its natural protein-sequence context, whereas in mussels, DOPA sits within the lysine-rich protein mfp-1. No one had directly tested whether this sequence context actually changes metal-binding behaviour.

J'ai conçu et réalisé les expériences de RMN visant à mesurer le pKa local des groupes hydroxyles du cycle catéchol de la DOPA dans trois systèmes : le polymère PEG-DOPA (DOPA isolée), un peptide synthétique reproduisant la séquence répétée de mfp-1 (DOPA + lysines), et une version où les lysines sont remplacées par de la norleucine, un acide aminé neutre de taille similaire (DOPA sans charge positive). En utilisant un spectromètre RMN à haut champ (800 MHz) équipé d'une cryosonde, j'ai enregistré des spectres 2D ¹H-¹³C HSQC (et TOCSY pour l'attribution) sur chaque échantillon à de nombreux pH entre 2 et 12, afin de suivre le déplacement chimique des protons du cycle DOPA en fonction du pH et d'en extraire le pKa par ajustement de courbe.I designed and carried out the NMR experiments to measure the local pKa of DOPA's catechol hydroxyl groups in three systems: the PEG-DOPA polymer (isolated DOPA), a synthetic peptide reproducing the repeating mfp-1 sequence (DOPA + lysines), and a version where the lysines are replaced by norleucine, a neutral amino acid of similar size (DOPA without the positive charge). Using a high-field (800 MHz) NMR spectrometer equipped with a cryoprobe, I recorded 2D ¹H-¹³C HSQC spectra (and TOCSY for assignment) on each sample across many pH values between 2 and 12, tracking the chemical shift of the DOPA ring protons as a function of pH and extracting the pKa by curve fitting.

La RMN a révélé que le pKa de la DOPA chute significativement lorsqu'elle est entourée de lysines dans la séquence mfp-1 (pKa moyen de 9,0), comparé à la DOPA isolée du PEG-DOPA (pKa de 10,0) ou à la version sans lysine (pKa de 10,2), une preuve directe que les acides aminés voisins modulent la chimie de la DOPA. Combinée à des mesures de spectroscopie UV-visible et de rhéologie, l'équipe a montré que cet effet de séquence permet au peptide mfp-1 de former des complexes métalliques stables (notamment avec le vanadium) à un pH bien plus acide, jusqu'à pH 4, que la DOPA isolée, qui nécessite un pH très basique (~12) pour gélifier, au prix d'une oxydation indésirable. Le peptide mfp-1 forme aussi spontanément des gouttelettes liquides (coacervats) en présence de sulfate, qui peuvent ensuite être réticulées par le vanadium dès pH 4, reproduisant fidèlement le processus naturel de formation du byssus. Ces résultats expliquent pourquoi les matériaux bio-inspirés actuels, qui isolent la DOPA de son contexte protéique, n'atteignent pas les performances du byssus naturel, et ouvrent une voie pour en concevoir de meilleurs.NMR revealed that DOPA's pKa drops significantly when surrounded by lysines in the mfp-1 sequence (average pKa of 9.0), compared to isolated DOPA in PEG-DOPA (pKa of 10.0) or the lysine-free version (pKa of 10.2), direct proof that neighbouring amino acids tune DOPA's chemistry. Combined with UV-visible spectroscopy and rheology, the team showed that this sequence effect lets the mfp-1 peptide form stable metal complexes (notably with vanadium) at a much more acidic pH, down to pH 4, than isolated DOPA, which needs a very basic pH (~12) to gel, at the cost of unwanted oxidation. The mfp-1 peptide also spontaneously forms liquid droplets (coacervates) in the presence of sulfate, which can then be cross-linked by vanadium starting at pH 4, closely mirroring the natural byssus-formation process. These findings explain why current bio-inspired materials, which isolate DOPA from its protein context, fall short of native byssus performance, and point toward how to design better ones.