Échafaudages bio-inspirés du gui et de la mouleMistletoe- and mussel-inspired scaffolds
Collaboration postdoctorale : expériences RMN pour identifier et quantifier les glycanes dans différents extraits de mucilage de baies de gui, à l'appui d'échafaudages protéine-cellulose hiérarchiques inspirés du gui et des adhésifs de moule.Postdoctoral collaboration: NMR experiments identifying and quantifying glycans in mistletoe berry mucilage extracts, supporting hierarchically structured protein-cellulose scaffolds inspired by mistletoe and mussel adhesives.
(A) Plaque du byssus de moule : cœur souple entouré d'une cuticule rigide, portant la séquence répétée Mfp-1 (granules riches en DOPA dans une matrice). (B) Filament de mucilage de gui, s'étirant collant à l'état humide et devenant rigide et non adhésif à l'état sec, un cycle réversible piloté par déshydratation/réhydratation. (C) La protéine recombinante rMfp-1, reproduisant le motif répété de Mfp-1, forme des gouttelettes (coacervats) en présence de sel (NaCl ou Na₂SO₄). (D) La cellulose extraite du gui est modifiée chimiquement en deux étapes, d'abord en cellulose dialdéhyde (DAMC), puis en nanocristaux de cellulose bifonctionnels (BNCC) utilisés pour former les échafaudages avec rMfp-1.(A) Mussel byssus plaque: a soft core surrounded by a stiff cuticle, carrying the repeating Mfp-1 sequence (DOPA-rich granules in a matrix). (B) Mistletoe mucilage strand, stretching sticky when humid and becoming stiff and non-adhesive when dry, a reversible cycle driven by dehydration/rehydration. (C) The recombinant rMfp-1 protein, reproducing Mfp-1's repeating motif, forms droplets (coacervates) in the presence of salt (NaCl or Na₂SO₄). (D) Cellulose extracted from mistletoe is chemically modified in two steps, first into dialdehyde-modified cellulose (DAMC), then into bifunctional nanocrystalline cellulose (BNCC) used to form the scaffolds with rMfp-1.
Le gui produit, autour de ses graines, un mucilage de cellulose capable de passer d'un état collant et souple à l'état humide à un état rigide à l'état sec, une propriété précieuse pour fabriquer des matériaux, mais dont la composante adhésive reste chimiquement non identifiée. L'équipe a eu l'idée d'utiliser une protéine de moule comme substitut connu de cette matrice inconnue, pour fabriquer des échafaudages composites protéine-cellulose biosourcés, par exemple pour l'ingénierie tissulaire. Mais il fallait d'abord comprendre comment cette protéine et la cellulose s'assemblent ensemble en gouttelettes liquides.Around its seeds, mistletoe produces a cellulose-based mucilage able to switch from a soft, sticky state when wet to a stiff state when dry, a valuable property for materials fabrication, but its adhesive component remains chemically unidentified. The team had the idea of using a mussel protein as a known stand-in for this unknown matrix, to fabricate biorenewable protein-cellulose composite scaffolds, for example for tissue engineering. But first they needed to understand how this protein and the cellulose assemble together into liquid droplets.
En mélangeant une protéine de moule recombinante chargée positivement (rMfp-1) avec des nanocristaux de cellulose modifiés, chargés négativement (BNCC), l'équipe a déclenché une séparation de phase liquide-liquide formant des gouttelettes à structure cœur-coquille. J'ai repris et réanalysé les données de RMN en solution (¹H) acquises à différents ratios protéine:cellulose pour sonder la mobilité moléculaire de la protéine dans ces gouttelettes : des pics RMN nets indiquent une protéine mobile et libre, tandis que des pics élargis et de faible intensité indiquent une protéine immobilisée par des interactions fortes avec la cellulose.By mixing a positively charged recombinant mussel protein (rMfp-1) with negatively charged, surface-modified cellulose nanocrystals (BNCC), the team triggered liquid-liquid phase separation forming droplets with a core-shell structure. I revisited and reanalyzed the solution ¹H-NMR data acquired at different protein:cellulose ratios to probe the molecular mobility of the protein within these droplets: sharp NMR peaks indicate free, mobile protein, whereas broadened, low-intensity peaks indicate protein immobilized through strong interactions with cellulose.
L'analyse RMN a confirmé le modèle cœur-coquille proposé : à faible ratio protéine:cellulose, les signaux RMN de la protéine sont fortement élargis, signe qu'elle est immobilisée à la surface de la cellulose ; à ratio élevé, les signaux redeviennent nets, signe d'une protéine excédentaire restée libre et mobile au cœur de la gouttelette. Cette compréhension à l'échelle moléculaire a permis à l'équipe de transformer ces gouttelettes, par simple lyophilisation, en échafaudages poreux et hiérarchiques dont la structure des pores se règle directement via le ratio protéine:cellulose, des matériaux biocompatibles (testés avec succès sur des fibroblastes) qui ouvrent une voie bio-inspirée vers des échafaudages d'ingénierie tissulaire entièrement biosourcés.The NMR analysis confirmed the proposed core-shell model: at low protein:cellulose ratios, the protein's NMR signals are strongly broadened, a sign that it is immobilized at the cellulose surface; at high ratios, the signals become sharp again, indicating excess protein remaining free and mobile in the droplet's core. This molecular-scale understanding allowed the team to turn these droplets, simply by freeze-drying, into hierarchically porous scaffolds whose pore structure is tuned directly via the protein:cellulose ratio, biocompatible materials (successfully tested on fibroblasts) that open a bio-inspired route toward fully biorenewable tissue-engineering scaffolds.
(A) Région aromatique (amides du squelette et Tyr ε) et (B) région aliphatique (chaînes latérales Tyr β/Lys ε, Pro β/γ, Lys β) des spectres RMN ¹H, du haut vers le bas : rMfp-1 seule (jaune, 5 mg/mL), coacervats à ratio protéine:cellulose décroissant (orange 5:1,5 ; rouge 2,5:1,5 ; violet 1:1,5 ; bleu 0,5:1,5, BNCC fixée à 1,5 mg/mL), puis BNCC seule (noir). Les signaux protéiques s'élargissent et perdent en intensité à mesure que le ratio protéine:cellulose diminue, signe d'une immobilisation croissante par la cellulose.(A) Aromatic region (backbone amides and Tyr ε) and (B) aliphatic region (Tyr β/Lys ε, Pro β/γ, Lys β side chains) of the ¹H NMR spectra, top to bottom: rMfp-1 alone (yellow, 5 mg/mL), condensates at decreasing protein:cellulose ratios (orange 5:1.5, red 2.5:1.5, purple 1:1.5, blue 0.5:1.5, BNCC fixed at 1.5 mg/mL), then BNCC alone (black). Protein signals broaden and lose intensity as the protein:cellulose ratio decreases, a sign of increasing immobilization by the cellulose.
Mêmes régions RMN qu'en figure précédente (A : aromatique, B : aliphatique), comparant rMfp-1 seule (jaune) et le coacervat rMfp-1-BNCC (orange) à la phase diluée récupérée après 48 h de sédimentation (vert) ou après centrifugation (magenta), et à la BNCC seule (noir). Dans les deux cas, les pics de cellulose réapparaissent nettement tandis que les signaux protéiques restent élargis, confirmant que l'essentiel de la protéine reste concentré et immobilisé dans la phase dense.Same NMR regions as in the previous figure (A: aromatic, B: aliphatic), comparing rMfp-1 alone (yellow) and the rMfp-1-BNCC condensate (orange) to the dilute phase recovered after 48 h of sedimentation (green) or after centrifugation (magenta), and to BNCC alone (black). In both cases, the cellulose peaks reappear clearly while the protein signals remain broadened, confirming that most of the protein stays concentrated and immobilized in the dense phase.
Superposition des spectres de rMfp-1 seule (jaune), du coacervat rMfp-1 (0,5 mg/mL)-BNCC (bleu) et de la BNCC seule (gris), sur les mêmes régions aromatique (A) et aliphatique (B). Les flèches pointent les légers déplacements des pics de tyrosine (Tyr ε) et des amides du squelette entre protéine libre et protéine en coacervat, signe d'interactions intermoléculaires plus fortes dans la phase condensée.Overlay of rMfp-1 alone (yellow), the rMfp-1 (0.5 mg/mL)-BNCC condensate (blue), and BNCC alone (grey), over the same aromatic (A) and aliphatic (B) regions. Arrows point to the slight shifts of the tyrosine (Tyr ε) and backbone amide peaks between free protein and protein in the condensate, a sign of stronger intermolecular interactions within the condensed phase.