Les enzymes des éponges: des constructeurs organiques naturels

Par biominéralisation, on entend la formation de structures composites contenant des matériaux inorganiques par des organismes vivants, par exemple une coquille d'œuf ou une dent. La silice organique est un biomatériau important, produit à hauteur de quelque gigatonnes par la biosilification, principalement par les organismes marins tels que les éponges siliceuses.

Les structures délicates et complexes de silice organique présentes dans les éponges siliceuses peuvent mesurer entre quelques nanomètres et plusieurs millimètres de long. Ces magnifiques structures de spicules siliceux en forme d'étoile ou de bâtonnet émerveillent les scientifiques depuis leur découverte. Mais si l'on considère les nombreuses applications potentielles, elles possèdent d'autres caractéristiques intéressantes; en effet, les structures siliceuses nanométriques forment des composants essentiels en micro- et nanoélectronique, comme des isolateurs et des guides d'ondes lumineuses. De plus, la silice organique garantit un bon degré de biocompatibilité, une propriété essentielle pour les implants médicaux.

Au centre médical universitaire de l'université Johannes Gutenberg de Mayence, en Allemagne, le professeur Werner E. G. Müller et ses collègues de l'institut de chimie physiologique mettent à profit la subvention avancée du CER (Conseil européen de la recherche) qui leur a été accordée pour découvrir les mécanismes fondamentaux de la biominéralisation, et en particulier de la biosilicification, et pour exploiter ses processus pour une variété de nouvelles technologies passionnantes.

«La beauté de la nature est qu'elle trouve des stratégies pour faire avancer le cours des choses. En chimie, le changement est contraint par une énergie d'activation nécessaire pour une réaction chimique; en effet, il faut déployer beaucoup d'énergie pour qu'une cascade d'évènements se déclenche», explique Werner Müller. «En revanche, les réactions biochimiques utilisent des catalyseurs naturels pour réduire l'énergie d'activation nécessaire. En biosilicification, ce sont les enzymes qui jouent ce rôle de catalyseurs.»

En effet, la fabrication des nanostructures de silice et des composants naturels implique actuellement des conditions extrêmes, à savoir des températures de près de 1000°C pour les fibres optiques de silice. Pourtant, les éponges parviennent à des résultats similaires aux températures ambiantes sans pour autant déployer beaucoup d'énergie en utilisant des enzymes qui déclenchent les processus chimiques en s'attachant aux matériaux impliqués.

Se baser sur un nouveau paradigme

«La découverte ces dix dernières années d'un catalyseur enzyme, la silicatéine, et son rôle dans la formation de silice inorganique a entraîné une véritable révolution conceptuelle pour les chercheurs. Nous savons que seulement certaines enzymes peuvent contrôler des réactions, mais nos recherches montrent que cela ne s'arrête pas aux silices organiques; en effet, d'autres biomatériaux contenant des métaux peuvent également être produits en utilisant des enzymes spécifiques», explique le professeur Müller. Son équipe pousse ses recherches sur la biosilicification plus loin en offrant des techniques révolutionnaires de biologie structurelles, de biochimie, de bio-ingénierie et de sciences des matériaux. Les travaux des chercheurs ont déjà porté leurs fruits dans le cadre d'une subvention de validation de principe offerte par le CER pour un os de silice.

«Les structures spongieuses sont extrêmement diversifiées et il en est de même pour les os des animaux; chaque espèce a son propre plan spécifique. Nous ne savons pas comment ce plan est déterminé chez l'homme, mais nous avons cependant découvert que la croissance osseuse est également contrôlée par les enzymes, ce qui nous a conduit à produire des implants prosthétiques en utilisant de la silice organique produite in vitro. Ces implants se sont révélés hautement biocompatibles dans les expériences animales, et n'ont pas été rejetés par l'organisme hôte».

«Nous avons également découvert qu'ils offrent d'autres avantages: ils sont biodégradables à long terme, ce qui élimine le besoin d'une opération pour les retirer, comme c'est actuellement le cas pour les tiges de métal utilisées en cas de fracture. De plus, cette biodégradation lente permet une croissance contrôlée du nouvel os, étant donné que la silice organique semble effectivement favoriser la croissance osseuse. Ce point n'est pas étonnant compte tenu de la présence de silice organique dans le corps humain et du fait que les éponges siliceuses sont les premiers organismes à avoir évolué sur terre. Ils seraient les ancêtres des vertébrés, ce qui est reflété par une forte biocompatibilité.

La validation de principe pour l'os en silice (Si-Bone) nous permet de pousser nos travaux encore plus loin. Nous étudions notamment le rôle de la silicatéine dans la prévention et la guérison de l'ostéoporose, une maladie osseuse liée à l'âge qui coûte cher en termes de soins de santé et est très pénible pour les personnes atteintes. L'incidence de la maladie connaît une forte augmentation en raison du vieillissement de la société.»

- Source: Professeur Werner Ernst Ludwig Georg Müller
- Coordinateur du projet: Centre médical universitaire de l'université Johannes Gutenberg de Mayence, Allemagne
- Titre du projet: From gene to biomineral: Biosynthesis and application of sponge biosilica
- Acronyme du projet: BIOSILICA
- Site web de l'institution
- Programme de financement du 7e PC (Appel du CER): Subvention avancée 2011
- Financement de la CE: 2 200 000 EUR
- Durée du projet: 5 ans

Références
Müller W.E.G., Wang X.H., Grebenjuk V., Diehl-Seifert B., Steffen R., Schloßmacher U., Trautwein A., Neumann S. and Schröder H.C. (2013), Silica as a morphogenetically active inorganic polymer: effect on the BMP-2-dependent and RUNX2-independent pathway in osteoblast-like SaOS-2 cells; Biomaterials Sci. 1: 669-678
Müller W.E.G., Schröder H.C., Burghard Z., Pisignano D. and Wang X.H. (2013), Silicateins - A novel paradigm in bioinorganic chemistry: Enzymatic synthesis of inorganic polymeric silica; Chemistry Eur. J., 19:5790-5804
Wang, X.H., Schröder, H.C., Wang, K., Kaandorp, J.A. and Müller, W.E.G. (2012), Genetic, biological and structural hierarchies during sponge spicule formation: From soft sol-gels to solid 3D silica composite structures; Soft Matter, 8:9501-9518.