Projet ANR-12-BS07-0012 – LUMZIF : Doigts de zinc luminescents : vers des sondes optiques proche-infrarouge basées sur les lanthanides pour l’imagerie biologique du zinc
Programme : Blanc - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier SENEQUE (Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux UMR 5249/Equipe Physicochimie des Métaux en Biologie)
Partenaires : Centre de Biophysique Moléculaire; Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux
Montant : 434000.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Doigts de zinc luminescents : vers des sondes optiques proche-infrarouge basées sur les lanthanides pour l’imagerie biologique du zincCe projet a pour but de développer de nouvelles sondes luminescentes pour l'imagerie biologique de Zn2+. Ces sondes sont basées sur des modèles peptidiques de doigts de zinc pour la liaison de Zn2+ et sur des complexes de lanthanides pour l'émission dans le proche-infrarouge.
Objectif: combiner liaison sélective du zinc et émission proche-infrarougeL'objectif principal du projet LUMZIF est de développer des sondes sélectives de Zn2+ pour l'imagerie biologique du zinc. Nous visons des sondes qui (i) détectent sélectivement Zn2+ par rapport aux autres cations physiologiques; (ii) émettent dans le proche-infrarouge où (a) la diffusion est réduite et (b) l'absorption et l'autofluorescence des systèmes biologiques sont faible en comparaison des régions UV et visible, ce qui conduit à minimiser les dommages des systèmes biologiques et à maximiser la sensibilité de détection avec un meilleur rapport signal sur bruit ; (iii) pénètrent dans les cellules; (iv) ont une grande palette d'affinité pour Zn2+ pour mieux adapter la sonde à la concentration de zinc qui doit être imagée, celle-ci pouvant varier sur plusieurs ordres de grandeurs en fonction des cellules et des organelles.Ces sondes seront basées sur des peptides doigts de zinc qui lient Zn2+ sélectivement et sur des cations lanthanide(III) qui émettent dans le proche-infrarouge pour le signal optique. La combinaison de ces deux éléments n'a encore jamais été envisagée et apparaît très prometteuse pour la conception de sondes présentant tous les critères nécessaires à l'imagerie in vitro et in vivo du zinc.
Méthode: doigts de zinc et lanthanides en actionL'émission d'une quantité importante de lumière par les lanthanides nécessite «l'effet d'antenne«, c'est à dire la sensibilisation d'un lanthanide par un chromophore organique voisin, qui, une fois excité, transfère son énergie à au cation Ln3+ qui peut alors émettre des photons. Ainsi, nous allons greffer sur un peptide doigt de zinc un complexe de lanthanide et un chromophore adapté. Nous tirerons partie du repliement du peptide induit par le zinc pour rapprocher le lanthanide et son antenne suffisamment proche l'un de l'autre pour déclencher l'émission en présence de zinc. Des sondes ratiométriques pourront être obtenues sur le même principe. La flexibilité de la synthèse peptidique, qui offre la possibilité de jouer aisément avec les groupements protecteurs pour introduire à volonté complexes de lanthanides et acides aminés antennes non-naturels sur les peptides, nous permettra d'élaborer de telles sondes.La conception de ces sondes repose sur l'optimisation des positions auxquelles seront introduites le lanthanide et l'antenne et le choix d'antennes adaptées à la sensibilisation de lanthanides proche-infrarouge.Enfin, pour que les sondes soient internalisées dans les cellules nous utiliserons des séquences peptidiques de pénétration cellulaire que nous ajouterons aux sondes.
Résumé de la soumission : Le but de du projet LUMZIF est de développer de nouvelles sondes sélectives pour l’imagerie biologique du zinc. Ces sondes sont basées sur des peptides doigts de zinc pour la complexation sélective de Zn2+ et sur des lanthanides émettant dans le proche-infrarouge pour le signal optique.Les ions métalliques sont essentiels à la vie. Ils sont impliqués dans de nombreux processus biologiques et leur concentration est finement régulée par une machinerie complexe tant au niveau cellulaire qu’au niveau de l’organisme entier. Un dérèglement de l’homéostasie de ces métaux dans les organismes vivants peut conduire à des troubles et des maladies graves. Parmi les cations physiologiques, Zn2+ joue un rôle crucial mais très complexe dans de nombreux processus biologiques. Cet ion métallique est un cofacteur structural ou catalytique essentiel pour de nombreuses protéines mais il est aussi impliqué dans de nombreux processus de signalisation. Sa concentration varie en fonction des compartiments cellulaires et des flux de zinc importants servent à propager des informations biologiques. Plusieurs maladies comme les maladies d’Alzheimer ou de Parkinson ou encore des cancers sont associés à des dérèglements de l’homéostasie du zinc. Afin de mieux comprendre le rôle physiologique du zinc et les relations entre le déséquilibre de son homéostasie et les troubles physiologiques, il est important d’avoir des outils pour imager le zinc et ses flux dans les organismes vivants. C’est pourquoi le développement de sondes moléculaires pour l’imagerie optique du zinc a connu une attention grandissante dans la dernière décennie. Cependant, les sondes élaborées jusqu’à maintenant sont basées sur des chromophores organiques fluorescents et souffrent de nombreux inconvénients dus à leur nature organique, qui la plupart du temps empêche de les utiliser convenablement pour imager le zinc dans des échantillons biologiques. Leur principal inconvénient est qu’ils doivent être excités dans l’UV ou le visible et qu’ils émettent dans le visible, c’est-à-dire dans un domaine spectral où les milieux biologiques absorbent, sont autofluorescents et où la diffusion de la lumière est importante. La sonde idéale, présentant tous les critères pour imager avec succès le zinc, reste encore à inventer.Avec ce projet, nous allons concevoir, synthétiser et caractériser de nouvelles sondes élégantes. Ces sondes seront basées sur des lanthanides émettant dans le proche-infrarouge et sur des doigts de zinc pour la complexation sélective du zinc. Le principe de la détection repose sur le repliement du peptide doigt de zinc induit par la complexation du zinc pour moduler le transfert d’énergie entre le lanthanide émettant et son antenne sensibilisatrice. Nous utiliserons la grande flexibilité qu’offre la synthèse peptidique pour optimiser ces sondes avec des lanthanides émettant dans le proche-infrarouge et avec des antennes sensibilisatrices qui leur sont adaptés. A l’aide d’une approche rationnelle, étape par étape, nous allons créer des sondes ratiométriques émettant dans le proche-infrarouge et capables de pénétrer dans les cellules. La force de notre projet repose sur la facilité de modifier ces systèmes et sa grande nouveauté réside dans l’utilisation de lanthanides émettant dans le proche-infrarouge. En effet, ces cations offrent des perspectives très prometteuses concernant les applications d’imagerie biologique que nous visons. Nous croyons profondément que cette approche donnera naissance à des sondes efficaces pour la détection du zinc in vitro et in vivo. Les sondes pour l’imagerie in vivo seront d’une grande utilité pour les biologistes travaillant dans le domaine de l’homéostasie de Zn2+ et des maladies associées à ce cation.
Résultats : Les premiers résultats avec des sondes au terbium ont permis de valider le principe et de montrer que l'on pouvait moduler les propriétés de la sonde en jouant sur la position de l'antenne et du lanthanide. Les premiers essais concernant les sondes ratiométriques sont plutôt concluants et valident une nouvelle fois le principe même s'il reste de la mise au point à effectuer. Nous travaillons actuellement à la synthèse d'acide aminés non-naturels incorporant des antennes permettant de sensibiliser des lanthanides proche-infrarouge.
Perspectives : Le zinc est impliqué dans de nombreux processus cellulaires dont de nombreuses voies de signalisation. Un déséquilibre de l'homéostasie du zinc peut être associé à des désordres physiologiques et les des maladies. Le projet LUMZIF vise à développer de nouvelles sondes émettant dans le proche-infrarouge pour l'imagerie biologique du zinc. Nous tirerons profit des propriétés des lanthanides émettant dans le proche-infrarouge pour nous affranchir des inconvénients inhérents au sondes à Zn2+ habituellement utilisées et basées sur des chromophores organiques. Notre approche devrait aboutir à des sondes optiques pour le zinc qui pourront être utilisées in vitro et in vivo. En particulier, des sondes efficaces pour l'imagerie du zinc in vivo seront importantes pour les biologistes travaillant dans le domaine de l'homéostasie du zinc et des maladies qui y sont reliées.
Publications et brevets : De nos jours, il y a une forte demande pour des sondes à zinc et les possibilités de protection intellectuelle concernant les sondes luminescentes basées sur des lanthanides pour les applications bio-analytiques et l'imagerie sont très grandes. Ainsi, ce projet pourrait donner lieu à plusieurs brevets ou publications dans des journaux scientifiques de fort impact.